Một giờ bằng 60 phút, 1 phút bằng 60 giây, vậy 1 giây là bao nhiêu lâu?

Một ngày có 24 giờ, một giờ có 60 phút và một phút có 60 giây, vậy chắc chắn một giây chỉ là 1/(24 x 60 x 60) hay 1/86400 của một ngày? Việc xác định thời gian không đơn giản như chúng ta nghĩ, đơn vị nhỏ này đã thay đổi nhiều lần trong nhiều thế kỷ.

Peter Whibberley, nhà khoa học cao cấp tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Anh chia sẻ với Live Science: “Thứ hai ban đầu được tính dựa trên độ dài trong ngày. Mọi người quan sát mặt trời đi ngang qua đầu và bắt đầu đo chuyển động của nó bằng cách sử dụng đồng hồ mặt trời. Những thiết bị như thế đưa ra thời gian dựa trực tiếp vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, được gọi là thời gian mặt trời biểu kiến".

Tuy nhiên, đồng hồ mặt trời có một số nhược điểm, ngoài vấn đề hiển nhiên là không thể đọc đồng hồ mặt trời khi không nhìn thấy mặt trời, việc dựa vào vòng quay hàng ngày của Trái đất (còn được gọi là thời gian thiên văn) là không chính xác một cách đáng ngạc nhiên.

Whibberley chia sẻ: “Vòng quay không hẳn là hằng số, trái đất tăng tốc và chậm lại theo thời gian. Có sự thay đổi theo mùa, những biến đổi lớn khó lường từ thập kỷ này sang thập kỷ khác do những thay đổi trong lõi nóng chảy và sự chậm lại trong thời gian dài hơn do thủy triều di chuyển tới lui".

Vào thế kỷ 16, con người đã tìm đến các giải pháp công nghệ để giải quyết vấn đề này và những chiếc đồng hồ cơ học đầu tiên được biết đến đã bắt đầu xuất hiện.

Sumit Sarkar, nhà vật lý tại Đại học Amsterdam cho biết: “Trọng tâm của việc chế tạo đồng hồ về cơ bản đã chuyển từ việc tính thời gian bằng cách theo dõi vị trí của mặt trời sang tạo ra một bộ dao động và xác định một số dao động cố định tương đương với một giây”. 

Những ví dụ cơ học sớm nhất là đồng hồ quả lắc, được thiết kế để hoạt động ở một tần số cụ thể, tương đương với một giây thiên văn, tính trung bình trong suốt một năm. Trong vài trăm năm tiếp theo, các nhà khoa học đã nỗ lực xây dựng các bộ dao động tốt hơn, chính xác hơn và phát triển vô số hệ thống đo thời gian khác bao gồm cả lò xo và bánh răng.

Đến khoảng năm 1940, đồng hồ tinh thể thạch anh đã trở thành tiêu chuẩn vàng mới, Sarkar nói: “Nếu bạn đặt một điện áp vào một miếng thạch anh được tạo hình cẩn thận, nó sẽ bắt đầu rung và bạn có thể điều chỉnh tần số dao động đó một cách rất chính xác… Mặc dù độ chính xác này phù hợp cho mục đích sử dụng thông thường nhưng nó lại không đủ tốt cho các ứng dụng kỹ thuật thực sự như internet, hệ thống GPS hoặc nghiên cứu nghiên cứu cơ bản”.

Vấn đề nảy sinh vì mỗi mảnh thạch anh là duy nhất và cộng hưởng hơi khác nhau tùy thuộc vào điều kiện vật lý như nhiệt độ và áp suất. Để thực sự chính xác, đồng hồ cần phải được đặt theo một số tham chiếu độc lập, không thay đổi. Đây là nơi đồng hồ nguyên tử xuất hiện.

Whibberley giải thích: "Các nguyên tử có sự cộng hưởng cố định tự nhiên. Chúng chỉ tồn tại ở những trạng thái năng lượng cụ thể và chỉ có thể thay đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác bằng cách hấp thụ hoặc phát ra một lượng năng lượng cố định. Năng lượng đó tương ứng với một tần số chính xác, vì vậy bạn có thể sử dụng tần số đó làm tham chiếu để tính toán thời gian”.

Đồng hồ nguyên tử thực tế đầu tiên được công bố vào năm 1955, đã đo số lần chuyển đổi năng lượng do vi sóng gây ra trong các nguyên tử Caesium trong một giây thiên văn. Năm 1967, cộng đồng khoa học toàn cầu đã đồng ý định nghĩa lại giây theo con số này và Hệ thống Đơn vị và Đo lường Quốc tế hiện định nghĩa giây là khoảng thời gian của 9.192.631.770 dao động năng lượng trong một nguyên tử Caesium.

Kể từ đó, giây thiên văn tiếp tục thay đổi, trong khi giây nguyên tử vẫn giữ nguyên ở mức chính xác là 9.192.631.770 dao động. Những biến đổi về thời gian thiên văn này thực sự có nghĩa là cứ sau vài năm, các nhà khoa học phải thêm một giây nhuận để cho phép Trái đất quay chậm lại theo kịp thời gian nguyên tử. Giây nhuận này sẽ bị bãi bỏ vào năm 2035, nhưng các nhà khoa học và cơ quan chính phủ vẫn chưa tìm ra cách giải quyết sự khác biệt nhỏ.

Nhưng các nhà khoa học không bằng lòng với định nghĩa này, nó chính xác đến 10^-15 giây hoặc một phần triệu tỷ giây. Trên khắp thế giới, các nhóm nghiên cứu đang nghiên cứu các đồng hồ nguyên tử quang học còn chính xác hơn nữa, sử dụng các chuyển đổi nguyên tử do ánh sáng nhìn thấy có năng lượng cao hơn trong các nguyên tố như strontium và ytterbium để cải thiện độ chính xác này hơn 100 lần. Trên thực tế, các nhà khoa học đang thảo luận liệu đã đến lúc định nghĩa lại giây một lần nữa theo dao động của đồng hồ quang học, sử dụng tia UV và nguồn ánh sáng khả kiến ​​thay cho vi sóng.

Nhưng trong khi một số câu hỏi quan trọng vẫn cần được trả lời trước khi điều này xảy ra, rõ ràng là định nghĩa chính xác về giây có thể thay đổi.

Theo Live Science.