Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ hai, 30/11/2009 17:16 (GMT+7)

Đo thời gian và lược tần số

1/ Đo thời gian là nhìn vào đồng hồ biết bây giờ là mấy giờ mấy phút mấy giây.

2/ Đo khoảng thời gian xảy ra một sự kiện, từ lúc bắt đầu xảy ra đến lúc kết thúc hoặc khoảng thời gian giữa hai biến cố

Mới nghe có thể nghĩ rằng nếu có một cái đồng hồ tốt chạy thật đúng thì các vấn đề trên giải quyết rất dễ dàng. Thực tế không phải như vậy.

1. Trả lời câu hỏi “bây giờ là mấy giờ”?

Đến nay đã có đồng hồ nguyên tử chạy rất chính xác, loại vừa chạy 20 triệu năm mới sai một giây còn loại mới nhất chạy 300 triệu năm mới sai một giây. Có thể nghĩ rằng có đồng hồ chính xác như vậy thì chỉ lấy giờ môt lần cho thật đúng rồi cứ thế trong hàng triệu năm nhìn vào đồng hồ là biết đúng giờ giấc.

Thực tế không làm như thế được. Tương tự như ở âm lịch, ngày tháng là dựa theo chuyển động của mặt trăng, không thể quy định đơn giản bao nhiêu ngày là một tháng, bao nhiêu tháng là một năm v.v… mà còn phải căn cứ vào vị trí tương đối của mặt trăng so với trái đất từng giai đoạn, quy định có tháng 30 ngày, có tháng 29 ngày, có năm nhuận cả tháng… Tính toán ở âm lịch phải đảm bảo đêm rằm là trăng tròn đêm 30 trời tối nhất v.v… Cũng vậy, không phải cứ lấy giờ một lần cho đồng hồ nguyên tử rồi cứ đếm 9.192.931.770 dao động là tính một giây và lần lượt đếm được 60 giây tính là một phút, 60 phút là một giờ, 24 giờ là một ngày, cứ thế tính ra tháng, năm. Cần chú ý là từ hàng trăm năm nay phổ biến trên thế giới là dùng dương lịch lấy chuẩn theo chuyển động của quả đất trong hệ mặt trời. Hình dung quả đất là một hình cầu (thật ra không phải tuyệt đối là hình cầu). Nhìn từ trên xuống ta thấy hình cầu là một hình tròn, có thể chia thành 360 độ). Các nhà khoa học đứng ở đất nhìn lên mặt trời thấy mỗi giờ mặt trời chuyển động được 15 độ (thực tế là quả đất quay quanh mặt trời). Nếu chuyển động được 15 độ một giờ thì chuyển động được một vòng 360 độ phải mất 360/15 bằng 24 giờ. Từ đó người ta chia quả đất thành 24 múi giờ bằng cách vạch ra 24 đường kinh tuyến, một múi giờ nằm giữa hai kinh tuyến gần kề nhau, khoảng cách góc là 15 độ. Múi giờ thứ nhất quy ước là múi giờ chứa kinh tuyến đi qua Greewich ở Anh, gọi là kinh tuyến số không. Lấy thời gian ở múi giờ này làm chuẩn gọi là thời gian Greewich trung bình GMT (Greewich Mean Time), nước Việt Nam ở gọn vào trong múi giờ thứ 7 nên giờ ở Việt nam khác giờ GMT là 7 giờ.

Việc tính giờ giấc ngày xưa là do các nhà khoa học căn cứ vào chuyển động của quả đất, mặt trời và các tinh tú và đã định nghĩa giây là 1/(24x60x60) – 1/86400 của chu kỳ quay trung bình của quả đất so với mặt trời (gọi là ngày mặt trời trung bình). Tuy nhiên những phép đo chính xác sau này thấy rằng chuyển động quay của quả đất thay đổi theo thời gian, nói chung là mỗi năm mỗi chậm đi một ít. Như chúng ta đã biêt từ khi có đồng hồ nguyên tử người ta đã thay đổi, định nghĩa giây là thời gian của 9.192.931.770 dao động của sóng điện từ do nguyên tử Cs-133 phát ra (ứng với chuyển dịch giữa hai mức năng lượng cụ thể). Giây theo định nghĩa mới này không thay đổi, còn giây theo định nghĩa cũ thay đổi theo thời gian vì chuyển động quay của quả đất, như đã nói trên mỗi năm chậm đi một ít (cỡ 1,7 – 2,3 miligiây/thế kỷ). Do tình hình phức tạp như trên, trên phạm vi quốc tế, người sử dụng phải biết đó là giờ chuẩn quốc tế nào. Tiêu biểu nhất là giờ phối hợp quốc tế UTC, tiếng Anh là Coordinated Universal Time tiếng Pháp là Temps Universal Coordonné. UTC dựa trên chuẩn cũ là giờ GMT (Greenwich Mean Time - giờ trung bình Greenwich) do hải quân Anh đặt ra từ thế kỷ 19, sau đó được đổi tên là giờ quốc tế UT (Universal Time). Giờ quốc tế UT có vấn đề là độ dài ngày theo UT không phải lúc nào cũng giống nhau (chậm dần).

UTC là một hệ đo thời gian lai tạp. Tốc tộ của UTC được tính dựa trên chuẩn đồng hồ nguyên tử nhưng thời điểm được đồng bộ hoá cho gần đồng hồ thiên văn. Có một tổ chức quốc tế, phối hợp giờ giấc của hàng chục đồng hồ nguyên tử của nhiều nước, quy định lúc nào phải lấy giây nhuận, thống nhất báo giờ UTC trên nhiều phương tiện truyền thông, đặc biệt ở Internet. Giờ UTC được viết bằng bốn chữ số:

+ Hai số chỉ giờ từ 00 đến 23

+ Hai số chỉ phút từ 00 đến 59

Không có dấu phẩy chấm hay gạch giữa các số này. Ví dụ 3 giờ 7 phút chiều được viết là 1507.

Chú ý rằng ngoài UTC còn có giờ quốc tế UT – tên gọi mới của giờ GMT), giờ nguyên tử quốc tế TAI (Universal Atomic Time) chênh lệch giữa giờ quốc tế này so với giờ quốc tế kia có thể đến hàng chục giây. Ngoài ra, giờ giấc còn phải tính theo múi giờ và tuỳ quốc gia sử dụng giờ quốc tế nào. Thí dụ giờ chuẩn Moskva là UTC+3, giờ chuẩn Trung Quốc là UT+8, giờ chuẩn Việt Nam là UT+ 7.

2. Đo những khoảng thời gian rất ngắn

Hình 2 Biểu diễn các sóng điện từ ứng với ánh sáng đơn sắc theo trục Cường độ - Tần số (mỗi sóng đơn sắc là một vạch).
Hình 2 Biểu diễn các sóng điện từ ứng với ánh sáng đơn sắc theo trục Cường độ - Tần số (mỗi sóng đơn sắc là một vạch).
Với cách đơn sơ, nhìn đồng hồ bằng mắt thì xác định một thời điểm nào đó sai số cũng phải vào cỡ một giây, nửa giây. Ngay cả ở một cuộc chạy đua như chặng 100 mét xác định thời điểm xuất phátvà thời điểm đến đích phải nhờ đến các phương tiện quang, điện tử. Độ chính xác như của đồng hồ điện tử thạch anh là đủ, vấn đề chủ yếu ở đây là “bấm” giờ đúng.

Hiện nay tuỳ theo yêu cầu thực tế đã có những cách đo khoảng thời gian chính xác đến miligiây (10 -3S) microgiaay (10 -6S), nanôgiây (10 -9S), picôgiây (10 -12S), femtogiây (10 -15S) và chính xác nhất là attogiây (10 -18S).

Thí dụ như “bấm” giờ đúng cho đến miligiây có thể dùng điôt quang, có ánh sáng đến điôt quang cho ngay dòng điện. Điôt quang làm nhiệm vụ bấm giờ tự động thường hay thấy ở thí nghiệm rơi tự do. Chính xác cao đến nanogiây như súng bắn tốc độ laser đo tốc độ xe ôtô phải có những linh kiện bán dẫn đặc biệt phát ra những tín hiệu chuẩn để so sánh v.v… Đặc biệt thành tựu lớn nhất là đo được chính xác từ femtogiây đến attogiây nhờ sự phát triển của phương pháp lược tần số (frequency comb) mà những tác giả xây dựng phương pháp đã được tặng giải nobel Vật lý năm 2005. Chính nhờ phương pháp này mới làm được những đồng hồ nguyên tử chính xác.

Có thể tóm lược sơ lược phương pháp lược tần số như sau: một sóng như sóng điện từ phát ra do nhảy mức trong nguyên tử có thể đặc trưng bởi chu kỳ T của sóng, cũng có thể đặc trưng bởi tần số ƒ = 1/T.

Hình 3 Lược tần số thuộc phạm vi ánh sáng. Theo vị trí vạch của sóng cần đo trên lược tần số, xác định chính xác tần số của sóng cần đo.
Hình 3 Lược tần số thuộc phạm vi ánh sáng. Theo vị trí vạch của sóng cần đo trên lược tần số, xác định chính xác tần số của sóng cần đo.
Đo chính xác được tần số f là đo chính xác được chu kỳ T.

Một sóng tuần hoàn đơn giản kéo dài vô tận được biểu diễn trên trục biên độ - thời gian thành một hình sin đều đặn. Cũng sóng đó nếu biểu diễn trên trục biên độ - tần số thì chỉ là một vạch thẳng đứng.

Phép phân tích Fourier cho thấy bất cứ một dạng sóng phức tạp nào cũng là chồng chất của nhiều sóng tuần hoàn đơn giản, do đó nếu biểu diễn sóng phức tạp theo trục cường độ - tần số không phải chỉ có được một vạch mà là nhiều vạch thẳng đứng, mỗi vạch ứng với một tần số của sóng tuần hoàn thành phần.

Ngày nay người ta chế tạo được laser phát ra liên tục chuỗi các xung laser thật ngắn, mỗi xung cỡ 5 femtogiây (10 -15S), xung này cách xung kia cỡ 7 nanogiây (10 -9S) thường gọi là đoàn tàu xung (pulse train). Phân tích chuỗi các xung này theo kiểu Fourier, biểu diễn theo trục cường độ - tần số, ta có được dãy các vạch thẳng đứng, cách đều nhau dạng như cái lược, do đó gọi là lược tần số (frequency comb).

Người ta có thể xác định mỗi vạch (mỗi cái răng lược) như vậy ứng với tần số nào, do đó dùng lược tần số làm như cái thước chuẩn để đo tần số. Thí dụ sóng điện từ do nguyên tử phát ra là một vạch nhất định (trên đồ thị cường độ - tần số) đối chiếu vạch đó xem ở vị trí nào trên lược tần số, từ đấy xác định được chính xác tần số f tức là đo được chu kỳ T = 1/ƒ.

Tất cả các phép đo trên đều thực hiện bằng kỹ thuật điện tử và kỹ thuật laser rất tinh vi.

Như vậy thành tựu vật lý làm ra được đồng hồ nguyên tử để đo chính xác thời gian hàng triệu năm và thành tựu tạo ra phương pháp lược tần số để đo chính xác những khoảng thời gian cực ngắn đến attogiây thực ra gắn kết với nhau mà cốt lõi để thực hiện được là sự phát triển của laser.

Xem Thêm

Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

Nghệ An: Khai mạc vòng chung kết Cuộc thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng
Sáng 7/8, Liên hiệp Các hội khoa học và kỹ thuật tỉnh phối hợp với Sở Giáo dục và Đào tạo, Sở Khoa học và Công nghệ, Tỉnh đoàn và trường Cao đẳng công nghiệp Việt Nam – Hàn Quốc tổ chức khai mạc vòng chung kết Cuộc thi sáng tạo dành cho thanh, thiếu niên, nhi đồng tỉnh năm 2026.
Chủ tịch Phan Xuân Dũng dự Đại hội Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long
Ngày 7/8, tại Vĩnh Long, GS.TSKH. Phan Xuân Dũng, Chủ tịch Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam dự và phát biểu tại Đại hội đại biểu Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh Vĩnh Long lần thứ I, nhiệm kỳ 2026-2031. Đây là Đại hội đầu tiên sau hợp nhất Liên hiệp Hội ba tỉnh Bến Tre, Trà Vinh và Vĩnh Long, mở ra một giai đoạn phát triển mới của đội ngũ trí thức KH&CN trên địa bàn tỉnh.
Thống nhất quy định để doanh nghiệp không phải khai báo nhiều lần
Sáng 7/8, Tổ 15 (gồm Đoàn ĐBQH tỉnh Phú Thọ, TP. Đà Nẵng) thảo luận về: dự án Luật Phát triển đô thị; dự án Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của 10 luật có liên quan đến thủ tục hành chính, điều kiện kinh doanh trong lĩnh vực nông nghiệp và môi trường; dự án Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Tần số vô tuyến điện, Luật Viễn thông, Luật Giao dịch điện tử và Luật Chuyển giao công nghệ.
Góp ý kiến cho Dự án Luật Phổ biến, giáo dục pháp luật (sửa đổi)
Tăng cường ứng dụng công nghệ số, trí tuệ nhân tạo, các nền tảng số và mạng xã hội để nâng cao hiệu quả tiếp cận pháp luật trong giai đoạn mới. Đây là nội dung được nhiều chuyên gia, nhà khoa học góp ý tại hội thảo “Góp ý Dự án Luật Phổ biến giáo dục pháp luật (sửa đổi) do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam phối hợp với Hội Khoa học Tâm lí - Giáo dục Việt Nam tổ chức chiều ngày 6/8.
Hoàn thiện thể chế thúc đẩy phát triển ngành xuất bản trong kỷ nguyên số
Sáng ngày 6/8, VUSTA tổ chức Hội thảo đóng góp ý kiến cho dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Xuất bản. Các chuyên gia, nhà khoa học từ các hội thành viên, đơn vị trực thuộc đã tham góp nhiều ý kiến góp phần hoàn thiện hành lang pháp lý cho hoạt động xuất bản trước sự phát triển nhanh chóng của công nghệ số, trí tuệ nhân tạo và những thách thức ngày càng lớn trong bảo vệ bản quyền.
Nghệ An: Trao 162 giải thưởng Olympic Hóa học 19-5
Cuộc thi đã truyền đi thông điệp mạnh mẽ về sự hấp dẫn của Hóa học và lan tỏa tình yêu của Hóa học đương đại đến mọi người. Thành công của cuộc thi là lời khẳng định về vai trò của Hóa học trong đời sống và tương lai của đất nước.
Xây dựng hành lang pháp lý phát triển đô thị Việt Nam
Chuyển mạnh từ tư duy quản lý đô thị sang kiến tạo phát triển đô thị là một trong những nội dung được nhiều chuyên gia góp ý tại Hội thảo “Đóng góp ý kiến cho dự thảo Luật Phát triển đô thị” do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam phối hợp cùng Hội Quy hoạch phát triển đô thị Việt Nam và Tổng Hội Xây dựng Việt Nam tổ chức sáng 5/8, tại Hà Nội.
Gia Lai: Liên hiệp các Hội tổ chức tập huấn kỹ năng truyền thông
Ngày 4/8, Liên hiệp các Hội KH&KT Gia Lai (Liên hiệp Hội) đã tổ chức lớp tập huấn “Kỹ năng xây dựng tin, bài trong bối cảnh truyền thông hiện nay” với sự tham dự của ông Lê Anh Tuân – Phó Chủ tịch Liên hiệp Hội, Nhà báo Lương Văn Danh – Phó Giám đốc Báo và Phát thanh – Truyền hình Gia Lai, báo cáo viên của lớp tập huấn; cùng khoảng 50 học viên đến từ các đơn vị thành viên Liên hiệp Hội.