Mili giây, micro giây, nano giây: hình dung những khoảng rất ngắn

Một mili giây là một phần nghìn giây, một micro giây là một phần triệu giây, một nano giây là một phần tỉ giây. Cách dễ hình dung nhất là gắn mỗi đơn vị với một việc quen thuộc: một mili giây là lúc màn trập máy ảnh mở nhanh, một micro giây là thời gian ánh sáng đi khoảng 300 mét, một nano giây là thời gian ánh sáng đi chừng 30 centimet, vừa một cây thước kẻ.

Bậc thang nghìn lần

Các đơn vị thời gian ngắn trong hệ SI đi theo bậc 1.000: mỗi bậc nhỏ hơn bậc trước một nghìn lần. Tiền tố là những chữ Hy Lạp, Latin quen thuộc trong khoa học.

Dùng ánh sáng làm thước rất tiện vì tốc độ ánh sáng là 299.792.458 m/s, gần với con số tròn 300.000 km/s.

Mili giây: thế giới của giác quan

Mili giây là đơn vị của cơ thể người. Nhiều thứ ta cảm nhận được nằm trong khoảng vài mili giây đến vài trăm mili giây:

• Chớp mắt: khoảng 100–400 ms, tuỳ người và tuỳ đo từ lúc nào.
• Phản ứng với tín hiệu nhìn thấy: khoảng 200–250 ms ở người trẻ khoẻ.
• Phản xạ gõ gân bánh chè: vài chục ms, vì tín hiệu không cần đi lên não.
• Một khung hình phim 24 hình/giây: khoảng 42 ms.
• Một lần làm mới màn hình 60 Hz: khoảng 16,7 ms.
• Tốc độ màn trập 1/1000 giây: đúng 1 ms, đủ đóng băng phần lớn chuyển động thể thao.

Tai người còn nhạy hơn mắt ở thang này. Não dùng độ chênh thời gian âm thanh tới hai tai để biết tiếng động từ phía nào; độ chênh ấy chỉ cỡ phần nhỏ của một mili giây, tức là đã chạm vào thang micro giây.

Micro giây: thế giới của điện và âm thanh

Một micro giây quá ngắn để giác quan cảm nhận trực tiếp, nhưng nó là đơn vị của nhiều thiết bị quen thuộc:

• Đèn flash máy ảnh phát sáng trong khoảng vài trăm micro giây đến vài mili giây, tuỳ công suất.
• Các vệ tinh định vị GPS phải tính tới hiệu ứng tương đối tính làm đồng hồ trên vệ tinh lệch khoảng 38 micro giây mỗi ngày so với dưới mặt đất. Không hiệu chỉnh, vị trí sẽ trôi hàng km mỗi ngày.
• Tia sét có những pha phóng điện kéo dài cỡ vài chục micro giây.

Nano giây: sợi dây của Grace Hopper

Grace Hopper, nhà khoa học máy tính và sĩ quan Hải quân Mỹ, nổi tiếng với cách giải thích nano giây cho người không chuyên. Bà phát cho người nghe những đoạn dây dài khoảng 30 centimet (11,8 inch) và nói đó là quãng đường điện, hay ánh sáng, đi được trong một nano giây. Vì thế tín hiệu từ vệ tinh đến mặt đất phải mất cả triệu nano giây, và máy tính càng nhỏ thì càng nhanh, vì tín hiệu đi quãng ngắn hơn.

Nano giây là thang của bộ vi xử lý. Một chip chạy ở 3 GHz có 3 nhịp xung trong mỗi nano giây. Trong một nhịp, tín hiệu điện chỉ đi được vài centimet, đó là lý do kích thước chip ảnh hưởng tới tốc độ.

Pico, femto, atto: thế giới của phân tử và electron

Đi xuống thêm vài bậc, ta tới những khoảng thời gian chỉ máy laser đặc biệt mới "chụp" được.

Ở thang femto giây, các nguyên tử trong phân tử dao động và liên kết hoá học đứt, nối. Nhà hoá học Ahmed Zewail nhận giải Nobel Hoá học năm 1999 cho công trình dùng xung laser femto giây theo dõi phản ứng hoá học trong lúc đang xảy ra, mở ra ngành hoá học femto giây.

Ở thang atto giây, ta theo dõi được chuyển động của electron. Giải Nobel Vật lý năm 2023 được trao cho Pierre Agostini, Ferenc Krausz và Anne L'Huillier vì các phương pháp tạo xung ánh sáng atto giây để nghiên cứu electron trong vật chất.

Làm sao đo được thứ ngắn hơn mọi đồng hồ

Một câu hỏi tự nhiên: nếu không đồng hồ điện tử nào "tích tắc" nhanh tới femto giây, làm sao người ta đo được những khoảng ngắn như vậy? Câu trả lời nằm ở một mẹo gọi là bơm – dò. Một xung laser cực ngắn thứ nhất "kích" mẫu vật, bắt đầu một quá trình. Xung thứ hai đến trễ hơn một chút để "chụp" trạng thái lúc đó. Độ trễ giữa hai xung được điều chỉnh bằng cách cho xung thứ hai đi đường vòng dài hơn vài micromet qua gương.

Vì ánh sáng đi 0,3 micromet trong một femto giây, dời gương một chút là đổi được độ trễ cực nhỏ một cách chính xác. Lặp lại với nhiều độ trễ khác nhau, các nhà khoa học ghép được một "đoạn phim" của phản ứng. Nói cách khác, họ đo thời gian bằng khoảng cách, đúng tinh thần của sợi dây nano giây mà Grace Hopper từng phát.

Mẹo hình dung các con số khó tưởng tượng

Bộ óc con người không cảm nhận nổi một phần tỉ. Mẹo hay dùng là phóng to cả bậc thang lên cho tới khi bậc nhỏ nhất thành một thứ quen thuộc:

• Nếu một nano giây kéo dài thành một giây, thì một giây thật sẽ dài khoảng 31,7 năm.
• Nếu một micro giây kéo dài thành một giây, thì một giây thật dài khoảng 11,6 ngày.
• Nếu một mili giây kéo dài thành một giây, thì một giây thật dài khoảng 16,7 phút.

Bạn có thể tự kiểm tra: một tỉ giây chia cho số giây trong một năm (khoảng 31,56 triệu) ra khoảng 31,7. Những phép tính như vậy biến con số trừu tượng thành thứ có thể nhớ.

Thử tại nhà: đo một mili giây bằng điện thoại

Nhiều điện thoại có chế độ quay chậm 240 hình/giây. Mỗi khung hình khi đó cách nhau khoảng 4,2 mili giây. Thử quay chậm cảnh vỗ tay, búng tay hay một giọt nước rơi vào cốc, rồi đếm số khung hình giữa lúc hai bàn tay chạm nhau và lúc chúng bật ra. Nhân số khung hình với 4,2 là bạn có thời gian tính bằng mili giây. Đây là cách rẻ nhất để "thấy" thế giới mili giây bằng mắt.

Góc nhìn hôm nay

Đời sống hiện đại vận hành ở những thang thời gian mà giác quan không theo kịp: máy tính đếm nano giây, mạng viễn thông lo từng micro giây, giao dịch tài chính tính bằng mili giây. Thuộc bảng bậc thang nghìn lần, cùng mẹo "ánh sáng đi được bao xa", là đủ để đọc báo khoa học không bị lạc.