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).

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.

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.