Đồng hồ nguyên tử và giờ quốc tế
Các loại đồng hồ nguyên tử đang sử dụng phổ biến hiện nay
Như chúng ta đã biết, ở đồng hồ nguyên tử người ta tìm cách kích thích điện tử trong nguyên tử từ một mức năng lượng thấp nhảy lên mức cao để khi từ mức cao nhảy về mức thấp, điện tử phát ra sóng điện từ với tần số nhất định và lấy đó làm chuẩn để đo thời gian. Ví dụ, đối với đồng hồ nguyên tử cesium, tần số sóng điện từ phát ra là 9.192.631.770 Hz, do đó lấy tần số này làm chuẩn, cứ đếm được 9.192.631.770 chu kỳ là tính một giây.
Từ khi kỹ thuật laser phát triển, có cách làm lạnh nguyên tử bằng laser, đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước đã trở thành phổ biến, thay thế cho các loại đồng hồ nguyên tử kiểu cũ, cồng kềnh được chế tạo vào những năm 50 của thế kỷ trước. Điển hình là đồng hồ nguyên tử NIST -F1 đặt ở Viện Khoa học và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ(National Institute of Science and Technology - NIST) của Mỹ. Cấu tạo và hoạt động của loại đồng hồ này như sau:
Người ta cho một chùm nguyên tử cesium vào buồng chân không. ở đấy có sáu chùm tia laser đặt đối diện nhau từng đôi một theo ba chiều vuông góc với nhau trong không gian. Chùm tia laser như là một chùm hạt nhẹ có tốc độ cực nhanh, khi bắn vào nguyên tử đang chuyển động theo một hướng nào đó sẽ làm chậm chuyển động của nguyên tử theo hướng đó. Vì vậy, sáu chùm laser tập trung chiếu vào các nguyên tử cesium theo cả ba chiều sẽ làm cho các nguyên tử cesium chuyển động chậm lại một cách toàn diện, tức là lạnh đi. Kết quả, các nguyên tử cesium bị lạnh gần -273 0C, ngưng tụ lại (như là hơi nước gặp lạnh ngưng tụ lại thành giọt nước). Người ta thường nói đó là viên bi các nguyên tử cesium. Khi đã quá lạnh, co cụm lại thành viên bi, có thể dùng các chùm tia laser ở dưới bắn vào làm cho viên bi cesium bị tung lên trên, trọng lượng sẽ làm cho rơi xuống, tiếp tục dùng laser bắn cho viên bi tung lên kiểu như ở giếng phun nước.
ở đồng hồ nguyên tử NIST-F1, viên bi cesium bị laser bắn vào tung lên cao đến 1 mét và rơi xuống một cái buồng ở đấy có sóng điện từ cỡ vi sóng (microwave) chiếu vào làm cho điện tử ở các nguyên tử cesium từ mức thấp nhảy lên mức cao. Lúc rơi xuống thấp, các viên bi này lại bị chùm vi sóng khác chiếu vào làm cho các điện tử của các nguyên tử trong viên bi “hưởng ứng” nhảy về mức thấp, phát ra sóng điện từ tần số 9.192.631.770 Hz - tần số chuẩn của đồng hồ nguyên tử cesium. Viên bi cứ liên tục được tung lên, rơi xuống để sóng điện từ tần số chuẩn phát ra và hệ thống điện tử đếm số chu kỳ để hiển thị thời gian trôi qua.
Đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước đặt cố định trên mặt đất này hiện nay đã có ở hầu hết các nước có nền khoa học phát triển, dùng làm chuẩn thời gian trong nước và phối hợp giờ quốc tế.
Vì tần số của sóng điện từ phát ra rất ổn định, chỉ phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử nên loại đồng hồ nguyên tử như NIST-F1 có sai số rất nhỏ, độ chính xác vào cỡ 4.10 -14(trong 20 triệu năm sai không quá 1 giây).
Trên một số tàu vũ trụ, vệ tinh, đặc biệt là các vệ tinh của hệ định vị toàn cầu như GPS, rất cần có đồng hồ nguyên tử kiểu phun nước vì nó gọn nhẹ, làm việc được trong điều kiện gần như không trọng lượng. Điều khác biệt quan trọng là, các viên bi cesium được đẩy qua lại chứ không phải là tung lên cao rồi rơi xuống như trong đồng hồ nguyên tử cố định trên mặt đất.
Trong 10 năm gần đây, người ta đã nâng độ chính xác của đồng hồ nguyên tử lên bằng cách dùng một số loại nguyên tử khác, cũng như làm cho các vạch phổ thanh nét, dễ đo, chính xác hơn nên độ chính xác của đồng hồ nguyên tử đã lên đến 10 -15, 10 -16và cao hơn. Bên cạnh đó, một xu hướng mới là dùng các công nghệ vi tiểu hình hoá và các thành tựu mới nhất của vật lý để làm đồng hồ nguyên tử nhỏ gọn, tiêu thụ ít điện, đeo tay được. Đã có đồng hồ nguyên tử mà lõi của nó chỉ to bằng hạt gạo, dùng laser vừa để làm lạnh vừa để tạo sóng đứng, nhốt nguyên tử lại trong các hốc cực nhỏ được làm bằng kỹ thuật vi cơ điện tử (MEMS). Dự đoán không lâu nữa, đồng hồ nguyên tử đeo tay sẽ có giá rất rẻ, vì chúng được chế tạo theo kiểu hàng loạt như ở kỹ thuật vi điện tử.
Giờ quốc tế
 |
Khi bắt đầu có sự thông thương rộng rãi thì lập tức nảy sinh nhu cầu phải quy định thống nhất về giờ giấc. Vào thế kỷ XIX, công nghiệp, giao thông, hàng hải của nước Anh phát triển mạnh mẽ nhất nên từ năm 1840, ngành đường sắt đã đặt ra giờ chuẩn chung cho cả nước Anh, Scôtlen và xứ Wale chứ không phải từng nơi quy định giờ riêng cho khu vực của mình. Đài thiên văn hoàng gia Greenwichtừ năm 1852 đã bắt đầu phát tín hiệu điện báo thường xuyên báo giờ cho cả Liên hiệp Anh, gọi là giờ Greenwich . Không lâu sau, nhiều nước công nhận lấy giờ đó làm giờ quốc tế, gọi là giờ GMT (Greenwich Mean Time).
Năm 1830, hải quân Mỹ lập đài quan trắc thiên văn, sau này là Đài thiên văn hải quân Mỹ USNO (U.S. Naval Observatory) quy định giờ của hải quân Mỹ để cả nước Mỹ cũng như nhiều nước khác tuân theo. Đồng hồ thời đó là đồng hồ quả lắc loại tốt và việc định nghĩa chính xác giờ, phút, giây là dựa theo chuyển động của trái đất và mặt trời. Từ khi có đồng hồ nguyên tử, các nhà khoa học thấy rằng không thể dựa theo chuyển động của trái đất để xác định giờ chính xác vì giờ định nghĩa theo cách này sai nhau đến vài phần nghìn giây mỗi ngày.
Năm 1967 người ta đã định nghĩa lại giây theo đồng hồ nguyên tử. Nhưng ý muốn dùng đồng hồ nguyên tử phối hợp với giờ GMT (giờ dựa theo chuyển động quay của trái đất) đã không thành, chính đồng hồ nguyên tử cho biết thời gian quay của trái đất là không ổn định, thay đổi theo ngày, theo mùa.
Tháng 1.1972, quốc tế đã thừa nhận sử dụng giờ quốc tế gọi là giờ phối hợp quốc tế UTC (tiếng Anh là Coordinated Universal Time, tiếng Pháp là Temps Eniversel Coordonné, không viết tắt là CUT theo tiếng Anh hay TUC theo tiếng Pháp mà viết tắt theo cách thoả hiệp quốc tế là UTC).
Giờ phối hợp quốc tế UTC theo những quy định ban đầu còn có vấn đề vì định nghĩa một ngày là thời gian trái đất quay quanh trục của nó (tính trung bình) nhưng qua đo đạc chính xác thì thời gian này không cố định. Vào giữa những năm 80, người ta chuyển sang dùng giờ phối hợp quốc tế UTC là chuẩn dùng giờ nguyên tử quốc tế TAI (International Atomic Time) được Văn phòng quốc tế về khối lượng và độ dài BIPM (Bureau International des Poids et Mesures) ở Pháp định nghĩa dựa trên hàng trăm đồng hồ nguyên tử cesium trên thế giới.
UTC thực ra là một hệ đo lường thời gian lai tạp. Tốc độ của UTC được tính dựa theo chuẩn tần số nguyên tử, tức là cứ đếm được 9.192.631.770 dao động ứng với nguyên tử cesium là tương ứng với 1 giây. Nhưng giây định nghĩa chính xác theo kiểu nguyên tử như vậy lại không hoàn toàn phù hợp với giây định nghĩa theo tốc độ quay của trái đất. Vì vậy, đồng hồ nguyên tử một khi đã “lấy giờ” đúng với giờ theo tốc độ quay của trái đất thì sau khi chạy một thời gian sẽ có sự chênh lệch nhau. Do đó, quốc tế quy định dùng giờ theo đồng hồ nguyên tử nhưng lại quy ước điều chỉnh lấy lại giờ bằng cách cho là có “nhuận” (như là năm nhuận, tháng nhuận), có phút chỉ có 59 giây. Tất cả những quy định như vậy được Tổ chức dịch vụ hệ thống vòng quay trái đất và đối chiếu quốc tế đảm nhận.
Vì vậy, khi nói đến giờ quốc tế phải chú ý là giờ quốc tế nào, có phải là giờ UTC không vì bên cạnh đó còn có giờ quốc tế UTI, giờ TAI... và cần tham khảo độ chênh lệch giữa các giờ quốc tế này. Ví dụ mùa hè năm 2004, độ lệch giữa các giờ quốc tế UTC và TAI là 32 giây. Trong các luật lệ thương mại và hàng không, khi nói về giờ giấc bao giờ trong văn bản cũng ghi rõ giờ quốc tế nào, chuyển đổi sang giờ địa phương như thế nào.
UTC là hệ thống thời gian dùng trong nhiều chuẩn Internet và World Wide Web. Chúng ta chú ý rằng, giờ quy định ở hệ định vị toàn cầu gọi là giờ GPS, khác với giờ UTC. Mặt khác, có những đồng hồ điện tử thạch anh, đồng hồ radio thường xuyên tự động lấy lại giờ theo đồng hồ nguyên tử nên vẫn gọi là đồng hồ nguyên tử.
Nói chung, từ khi có đồng hồ nguyên tử thì việc định nghĩa thế nào là một giây rất nhất quán nhưng việc “lấy giờ” không phải là đơn giản. Trả lời câu hỏi “bây giờ là mấy giờ” tuy có đồng hồ thật chính xác nhưng không phải là dễ vì phải nói rõ “lấy giờ” đồng hồ theo cách nào, hệ gì... Điều này có thể dễ dàng tra cứu trực tuyến trên Internet.
