Cesium (Cs) trong đồng hồ nguyên tử

Nói tới đồng hồ, chúng ta biết ngay đó là công cụ đo thời gian. Trong đời sống và hoạt động sản xuất của loài người mà tách khỏi việc tính toán giờ giấc, nếu như không có một tiêu chuẩn về thời gian được công nhận và cách tính toán giờ, thì ắt hoạt động của xã hội loài người sẽ loạn cả lên!

Trước đây, xác định thời gian đều lấy cơ sở từ sự chuyển động của Trái Đất. Trái Đất là máy tính giờ của tự nhiên, mỗi ngày đêm nó tự quanh quay trục của nó được một vòng, năm này qua năm khác đều thế. Một vòng là 1 ngày đêm, tức là 24 giờ và 1/86.400 của ngày đêm là 1 giây. Đơn vị thời gian giây được xác định ra như thế.

Nhưng theo tiến bộ của kỹ thuật đo đếm thời gian, người ta phát hiện thấy: Trái Đất không phải là “chiếc đồng hồ” chính xác hết mức! Tốc độ tự chyển động của nó thật không ổn định, mà có biến đổi tuỳ theo mùa, vụ và xét trong thời kỳ dài là có những thay đổi không có quy tắc… Tuy vậy, sự thay đổi tự chuyển động của Trái Đất là rất nhỏ, đối với sinh hoạt hằng ngày của chúng ta thì không đáng kể. Nhưng đối với khoa học kỹ thuật hiện đại thì điều trên lại trở thành vấn đề không thể chấp nhận.

Người ta nghĩ đến sự chuyển động của Trái Đất trong hệ Mặt Trời. Sự chuyển động đó là có quy luật, ổn định, mà con người có thể đo được. Cho nên, một số nhà khoa học lấy vận động đó của Trái Đất làm chuẩn gốc đo đếm thời gian. Quy định là cứ một vòng chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời là một năm, và quy định lấy 1/31,556,925,9747 của độ dài năm 1900 là một giây. Do độ dài một năm, để Trái Đất trở về nơi cũ, không chịu ảnh hưởng của sự tự quay của Trái Đất, cho nên dùng nó để đo đếm thời gian là tương đối chính xác: trong vòng 30 năm chỉ sai số không vượt quá 1 giây.

Nhưng, với sai số đó thì hiện nay cũng chưa đủ cho yêu cầu khoa học kỹ thuật hiện đại. Mà dùng cách trên để xác định thời gian cũng tương đối khó khăn đòi hỏi phải đo đạc thiên văn trong thời gian dài, là điều không được thực dụng lắm!

Mọi người bèn loại bỏ tập quán cũ: dựa theo thế giới vĩ mô không xong, thì thử thăm dò cách dựa vào thế giới vi mô. Thực sự, mọi cách tính giờ và công cụ đo đếm thời gian đều dựa vào một vật thể có sự vận động có quy luật; Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời một vòng là một năm; Trái Đất tự quay quanh trục của nó 1 vòng là 1 ngày đêm; đồng hồ quả lắc thì mỗi giây lắc lại 5 lần; tinh thể thạch anh thì mỗi giây cộng hưởng 500 vạn lần; Thế còn nguyên tử trong giới vi mô thì sao? Kết cấu của nguyên tử cũng như mô hình cực, cực nhỏ của Mặt Trời: Hạt nhân nguyên tử thì ở giữa, chung quanh có điện tử chuyển động mà điện tử bản thân nó cũng tự quay. Do đó vận chuyển trong nội bộ nguyên tử là có quy luật, mà tần suất lại cực cao, tính ổn định rất tốt, chúng ta có thể dùng nó để tính giờ giấc được không?

Các nhà khoa học phát hiện, nguyên tử của một chất được đại diện bằng một mức năng lượng nhất định. Khi nguyên tử từ một mức năng lượng nhảy sang một mức năng lượng khác sẽ hấp thu hoặc phóng ra một phần năng lượng, dưới hình thức sóng điện từ, một cách chính xác. Năng lượng chuẩn xác này có quan hệ đối xứng rất chuẩn xác với tần suẩt bức xạ sóng điện từ không chỉ chính xác lạ thường, mà hết sức ổn định, về cơ bản không bị chi phối bởi những điều kiện ngoại giới, là chuẩn xác thời gian hết sức khách quan và hết sức hằng định!

Lợi dụng đặc tính của nguyên tử, khi nhảy từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, người ta chế tạo ra đồng hồ mới - đồng hồ nguyên tử. So với Trái Đất, Mặt Trời, thể tích của đồng hồ nguyên tử nhỏ bé hơn rất nhiều, chuẩn thời gian xây dựng nên nó là rất dễ đo đạc, và không phải đo đạc thiên văn trong thời gian dài mà tính ổn định và chuẩn xác thì vượt rất xa so với dựa vào sự tự chuyển động của Trái Đất và sự quay của Trái Đất quanh Mặt Trời.

Hiện nay, người ta đã nghiên cứu chế tạo nhiều loại đồng hồ nguyên tử, trong đó có loại đồng hồ nguyên tử Rubidi (Rb) và đồng hồ nguyên tử Xezi (Cs). Các nhà khoa học nghiêng về việc chọn sử dụng đồng hồ nguyên tử Xezi cho nên trong kỳ họp lần thứ 13 của đại hội cân đo quốc tế, họp vào năm 1967, đã có quy định mới về giây: 1 giây là thời gian cần thiết, phù hợp với trị số 9.192.631.700 chu kỳ của bức xạ, ứng với sự chuyển giữa hai mức năng lượng siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử Xezi (cụ thể là từ mức năng lượng F = 4, m= 0, sang mức F = 3, m = 0 của trạng thái cơ bản S = ½ của nguyên tử 133, không bị nhiễu loạn bởi trường ngoài. Nói cách khác dễ hiểu, 1 giây là khoảng thời gian cần thiết để sóng điện từ mà nguyên tử Cs phát xạ với cộng hưởng là 9.192.631.700 lần, hoặc “chấn động” của nguyên tử Cs 9.192.631.700 lần. Đó là định nghĩa mới về độ dài của giây.

Sử dụng đồng hồ Cs, chúng ta không chỉ có thể đo được thời gian chớp sáng chỉ còn ngắn bằng 1/10 ³giây hết sức chính xác mà còn đạt tới trình độ sai số không quá 1 giây trong thời gian 50 vạn năm!

Sự lao động cần cù, gian khổ của lớp lớp các nhà khoa học đã được đền đáp tương xứng. Đúng là trong đời sống hàng ngày, chúng ta chỉ biết tới năm, tháng, ngày, giờ, phút, giây là đủ rồi, nhưng khoa học kỹ thuật hiện đại thì cần đo chính xác những thời gian cực ngắn, chỉ bằng 1/1.000 giây, 1/10 ⁶giây, hoặc 1/10 ⁹giây… có được đồng hồ nguyên tử, như đồng hồ nguyên tử Cs, chúng ta có thể tiến hành sử dụng thích hợp cho nghiên cứu khoa học một cách chính xác và trong thực tiễn sản xuất như: du hành vũ trụ và có những chuyến đi biển dài, thực hiện việc khống chế chính xác về thời gian.