Bài của Helen Margollis đăng trên tạp chí Physics World, tháng 11/2018
Vào ngày 1 tháng Mười Một năm 2018, khi bài báo này được đăng lần đầu tiên trên bản in của tạp chí Physics World, đó cũng là lúc tôi làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia của Anh (NPL) ở Teddington đúng 20 năm lẻ sáu ngày. Sở dĩ tôi biết điều này dễ như vậy – tôi đến phòng thí nghiệm vào ngày 26 tháng Mười năm 1998 – là vì có sự trợ giúp của đồng hồ và lịch, tôi có thể đo thời gian đã trôi qua. Nhưng trước khi có đồng hồ thì người ta làm thế nào? Họ đã đo thời gian bằng cách gì?
Trong hơn một thiên niên kỉ, vô số dụng cụ đã được phát minh ra để đo thời gian, song chúng đều có điểm chung là chúng phụ thuộc vào các hiện tượng thiên nhiên với chu kì dao động đều đặn. Đo thời gian đơn giản là vấn đề đếm các dao động này để đánh dấu sự trôi qua của thời gian.
Trong phần lớn lịch sử, hiện tượng tuần hoàn được chọn là chuyển động biểu biến của Mặt Trời và các sao trên bầu trời, do Trái Đất quay xung quanh trục riêng của nó. Một trong những phương pháp đo thời gian sớm nhất được biết – có niên đại từ hàng nghìn năm trước – liên quan đến việc cắm một cái cọc thẳng đứng ở mặt đất và lần theo cái bóng di chuyển của nó khi ngày trôi qua. Phương pháp này đã phát triển thành đồng hồ mặt trời, hay đồng hồ bóng nắng, với các vạch dọc theo đường đi của cái bóng phân chia ngày thành từng đoạn.
Tuy nhiên, đồng hồ mặt trời sẽ vô tác dụng nếu Mặt Trời không tỏa nắng. Đó là nguyên do các dụng cụ cơ giới – ví dụ đồng hồ nước, đồng hồ nến và đồng hồ cát – được phát triển. Sau đó, vào thế kỉ 17, đồng hồ quả lắc được phát triển, chúng chính xác hơn nhiều so với bất kì dụng cụ đo thời gian nào trước đó. Chu kì dao động của chúng (trong phạm vi sai số bậc thấp nhất) được xác định bởi gia tốc trọng trường và độ dài của con lắc. Do bởi chu kì này ngắn hơn nhiều so với chuyển động quay hằng ngày của Trái Đất, nên thời gian có thể được chia thành những khoảng nhỏ hơn nhiều, khiến nó có thể đo đến giây, hoặc thậm chí những phần nhỏ của một giây.
Tuy vậy, chuyển động quay của Trái Đất vẫn là “đồng hồ sư phụ” dựa trên đó các đồng hồ khác được chế tạo và điều chỉnh thường kì.
Từ tinh thể đến nguyên tử
Khi công nghệ tiến bộ, nhu cầu đo thời gian phân giải cao hơn ngày càng tăng. Đồng hồ quả lắc dần dần bị qua mặt bởi đồng hồ thạch anh, chiếc đầu tiên trong số này được chế tạo vào năm 1927 bởi Warren Marrison và Joseph Horton, khi ấy họ làm việc tại Phòng thí nghiệm Bell Telephone ở Mĩ. Ở những dụng cụ này, một dòng điện làm cho tinh thể thạch anh dao động ở một tần số nhất định cao hơn nhiều so với các dao động của con lắc.
Tần số của các đồng hồ ấy ít nhạy với các nhiễu loạn môi trường hơn các dụng cụ đo thời gian xưa cũ, nên chúng chạy chính xác hơn. Dẫu vậy, đồng hồ thạch anh vẫn dựa trên một dao động cơ có tần số phụ thuộc vào kích cỡ, hình dạng và nhiệt độ của tinh thể. Không có hai tinh thể nào hoàn toàn y hệt nhau, vì thế chúng phải được hiệu chỉnh theo một tham chiếu khác – đó là chu kì quay của Trái Đất, với giây được định nghĩa là 1/86.400 của ngày mặt trời trung bình (xem phần trong khung bên dưới).
Tiêu chuẩn hóa thời gian
Giờ mặt trời ở mọi nơi không giống nhau. Ở Anh, chẳng hạn, Birmingham muộn hơn London tám phút, và Liverpool muộn hơn 12 phút. Khi mà thời gian truyền thông và đi lại giữa các trung tâm dân cư chính còn chậm, thì điều này ít có vấn đề gì. Thế nhưng tình hình thay đổi rất nhiều với việc xây dựng đường sắt vào thế kỉ 19. Việc có thời gian địa phương khác nhau ở mỗi trạm thật sự gây phiền phức và, khi mạng lưới đường sắt mở rộng, nó đưa đến các vụ tai nạn và trễ tàu. Vì thế cần có một thời gian chuẩn hóa duy nhất.
Đường sắt Đại Tây (ở Anh) hoạt động vào năm 1840 và “giờ đường sắt” dần dần được sử dụng bởi các công ty đường sắt khác trong mấy năm sau đó. Thời gian biểu được chuẩn hóa theo Giờ Trung bình Greenwich (GMT), và vào năm 1855 các tín hiệu giờ được truyền qua điện báo từ Greenwich đến khắp mạng đường sắt nước Anh. Tuy nhiên, mãi đến năm 1880 thì vai trò của GMT là một giờ chuẩn thống nhất cho toàn quốc mới được pháp luật thừa nhận. Bốn năm sau, tại Hội nghị Đo lường Quốc tế tổ chức tại thủ đô Washington ở Mĩ, GMT được thông qua là chuẩn tham chiếu cho các múi giờ trên toàn cầu và giây được định nghĩa chính thức là 1/86.400 của ngày mặt trời trung bình.
Tuy nhiên, có những vướng mắc với định nghĩa này của giây. Khi khả năng của chúng ta đo đơn vị này của thời gian được cải thiện, cái trở nên rõ ràng là chu kì quay của Trái Đất không phải là hằng số. Chu kì này không những từ từ chậm lại do ma sát thủy triều, mà nó còn biến thiên theo mùa và, tệ hơn nữa, nó thăng giáng theo những kiểu không thể dự đoán trước.
Vào năm 1955, NPL đã khởi xướng một cuộc cách mạng về đo thời gian khi Louis Essen và Jack Parry tạo ra được chuẩn tần số nguyên tử caesium thực tiễn đầu tiên (xem phần trong khung bên dưới). Dụng cụ của họ không thật sự là cái đồng hồ vì nó không chạy liên tục, và nó chỉ là dùng để hiệu chỉnh tần số của một đồng hồ thạch anh bên ngoài với tần suất vài ngày một lần. Tuy vậy, bằng cách nghiên cứu tần số cộng hưởng ấy phụ thuộc như thế nào vào các điều kiện môi trường, Essen và Parry đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các chuyển tiếp giữa các mức năng lượng rời rạc trong các nguyên tử caesium cô lập tốt có thể đem lại một tham chiếu khoảng-thời gian ổn định hơn nhiều so với bất kì chuẩn nào dựa trên chuyển động của các thiên thể. Như Essen sau này đã viết: “Chúng tôi đã mời giám đốc [NPL] đến và chứng kiến cái chết của giây thiên văn học và sự ra đời của giờ nguyên tử.”
Đồng hồ nguyên tử hoạt động như thế nào
Trong một đồng hồ nguyên tử caesium, tần số của một nguồn vi sóng được điều chỉnh cẩn thận cho đến khi nó đạt tới tần số cộng hưởng ứng với hiệu năng lượng giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của các nguyên tử caesium: 9.192.631.770 Hz. Các nguyên tử hấp thụ bức xạ vi sóng, và một tín hiệu hồi tiếp phát ra từ tín hiệu hấp thụ được dùng để giữ cho nguồn vi sóng chỉnh đến tần số rất đặc biệt này. Thời gian hiển thị được tạo ra bằng cách đếm các dao động của nguồn vi sóng bằng mạch điện tử.
Đồng hồ nguyên bản của Louis Essen tại Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh sử dụng một chùm nhiệt nguyên tử caesium và chuẩn xác đến khoảng một phần 1010. Ngày nay, các chuẩn sơ cấp caesium sử dụng một sắp xếp gọi là “vòi phun nguyên tử”, trong đó các nguyên tử làm lạnh bằng laser được bắn lên thẳng đứng trong một hộp cộng hưởng vi sóng trước khi rơi trở xuống do trọng lực. Sử dụng các nguyên tử lạnh có nghĩa là thời gian tương tác có thể lâu hơn nhiều so với ở một đồng hồ chùm nhiệt, cho độ phân giải phổ cao hơn nhiều. Cùng với sự định lượng cẩn thận các chuyển dịch tần số hệ thống phát sinh từ các nhiễu loạn môi trường, các vòi phun caesium tốt nhất ngày nay đạt tới độ chuẩn xác một phần 1016, tuy rằng các phép đo phải được lấy trung bình trong vài ngày mới đạt tới mức này. Chúng góp phần làm các chuẩn sơ cấp cho Giờ Nguyên tử Quốc tế (TAI).
Thế nhưng việc chứng minh tiêu chuẩn mới là ổn định thì chưa đủ để định nghĩa lại giây. Một định nghĩa mới phải khớp với định nghĩa cũ trong phạm vi giới hạn kĩ thuật của sai số đo. Vì thế Essen và Parry đã tiến tới đo tần số của chuẩn caesium của họ so với thang thời gian thiên văn học được thông qua bởi Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich.
Trong khi đó, các nhà thiên văn đã chuyển sang dùng giờ thiên văn, dựa trên chu kì quỹ đạo của Trái Đất xung quanh Mặt Trời. Lí do cơ bản của họ là vì nó ổn định hơn chuyển động tự quay của Trái Đất, nhưng thật không may là đối với đa số các mục đích đo lường thực tế nó đúng là dài đến mức phi thực tiễn. Tuy vậy, Ủy ban Quốc tế về Cân nặng và Đo lường đã đi theo chỉ dẫn của họ, và vào năm 1956 đã chọn giây thiên văn là đơn vị cơ bản của thời gian trong Hệ Đơn vị Quốc tế. Đúng như Essen nhận xét: “Ngay cả các tổ chức khoa học cũng có thể đưa ra những quyết định xàm xí.”
Nhưng dù xàm xí hay không, ông cần phải liên hệ tần số caesium với giây thiên văn, một nhiệm vụ ông làm chung với William Markowitz đến từ Đài thiên văn Hải quân Mĩ. Cuối cùng, vào năm 1967, Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường đã quyết định định nghĩa lại giây là “khoảng thời gian gồm 9.192.631.770 chu kì bức xạ ứng với chuyển tiếp giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử caesium-133.”
Jack Parry và Louis Essen đã phát triển chuẩn tần số caesium của họ vào năm 1955 nhưng các nhà khoa học ngày nay đang tập trung vào đồng hồ quang học. (Ảnh: NPL)
Bài được dịch từ tạp chí Physics World, số tháng 11/2018
