Cuộc sống hiện đại của chúng ta phụ thuộc rất nhiều vào đo đạc thời gian (timekeeping), từ đồng hồ đeo tay, hệ thống định vị GPS, mạng lưới điện, đến các giao dịch tài chính. Xuyên suốt chiều dài lịch sử , các thành tựu công nghệ liên tục thúc đẩy sự phát triển của một “giây” – đơn vị cơ sở của thời gian, về mặt định nghĩa và độ chính xác.
Năm 1967, “giây” được định nghĩa là 1/86.400 thời gian của một ngày, dựa trên sự quay của Trái Đất. Sau đó, Hệ thống Đơn vị Quốc tế (The International System of Units) tái định nghĩa “giây” dựa trên tần số chuyển tiếp—số lần electron hấp thụ và giải phóng năng lượng trong một giây-của nguyên tử cesium-133 (9.192.631.770 lần/giây).
Đồng hồ nguyên tử cesium có độ chính xác rất cao, nhưng chưa phải tối đa. Tần số chuyển tiếp có thể tiếp tục được nâng lên, nhưng đòi hỏi công nghệ đo đạc đi kèm phải đủ nhạy bén. Khả năng cao đó là các “lược tần số” (frequency combs)—xung laser với tần số cách đều tạo thành một dãy như răng lược trên phổ ánh sáng. Mỗi răng trên “lược” tương ứng với một tần số cụ thể và đã biết. Khoảng cách giữa các răng này cố định và có thể được điều chỉnh chính xác. Để xác định tần số của một nguồn sáng chưa biết, các nhà khoa học chỉ cần so sánh nó với các răng trên lược tần số.
Những đột phá gần đây cho thấy cesium có thể sớm bị thay thế. Năm 2021, các nhà khoa học đo được dao động của nguyên tử strontium trong dải ánh sáng khả kiến, cao hơn dải vi sóng của cesium. Tiến bộ này có thể giúp tái định nghĩa giây vào năm 2030.
Nhìn về tương lai, đồng hồ hạt nhân (nuclear clocks) đo dao động bên trong hạt nhân nguyên tử rất có thể sẽ thay thế cesium và strontium. Trên lý thuyết, thorium-229 dao động trong dải tia cực tím với tần số cao gấp một triệu lần cesium có thể đo thời gian với độ chính xác đến 19 chữ số thập phân. Độ chính xác không tưởng này giúp đo đạc các quá trình diễn ra siêu nhanh như hiệu ứng giãn thời gian trong thuyết tương đối, chuyển động của electron trong cơ học lượng tử, đồng thời cải thiện hệ thống GPS vốn dựa trên thời gian truyền tín hiệu là sóng điện từ.
Nguồn: https://phys.org/…/2024-11-timekeeping-verge-giant…
Tổng hợp: Khoa Lê