Từ năm 1967, một giây được định nghĩa là khoảng thời gian của đúng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ phát ra khi nguyên tử cesium-133 chuyển giữa hai mức năng lượng siêu tinh tế ở trạng thái cơ bản. Trước đó, giây là một phần nhỏ của ngày hay của năm, dựa vào chuyển động của Trái Đất. Người ta đổi sang nguyên tử vì Trái Đất quay không đều, còn nguyên tử cesium thì ở đâu cũng giống hệt nhau.
Giây từ đâu ra
Việc chia ngày thành 24 giờ có gốc từ Ai Cập cổ đại, còn thói quen chia theo cơ số 60 đến từ người Lưỡng Hà. Chữ "second" trong tiếng Anh bắt nguồn từ tiếng Latin pars minuta secunda, nghĩa là "phần nhỏ thứ hai": chia giờ thành 60 phần được phút, chia phút thành 60 phần nữa được giây.
Suốt nhiều thế kỷ, giây chỉ là một khái niệm trên giấy, vì không có đồng hồ nào đo nổi. Phải đến khi đồng hồ quả lắc ra đời vào thế kỷ 17 (Christiaan Huygens chế tạo chiếc đầu tiên năm 1656), giây mới thành thứ người ta nhìn thấy và đếm được: một nhịp lắc của con lắc dài chừng một mét mất khoảng một giây.
Ba lần định nghĩa lại giây
| Thời kỳ | Một giây bằng | Vì sao bị thay |
|---|---|---|
| Trước 1960 | 1/86.400 của ngày mặt trời trung bình | Trái Đất quay không đều, ngày dài ngắn khác nhau từng chút |
| 1960–1967 | Một phần 31.556.925,9747 của năm chí tuyến 1900 (giây lịch thiên văn) | Chính xác hơn nhưng khó tái tạo, phải quan sát thiên văn nhiều năm |
| Từ 1967 | 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ của nguyên tử cesium-133 | Đang dùng; có thể được thay bằng đồng hồ quang học trong tương lai |
Lần đầu tiên, định nghĩa dựa vào ngày: một ngày có 24 × 60 × 60 = 86.400 giây. Nhưng các nhà thiên văn phát hiện tốc độ quay của Trái Đất thay đổi. Thuỷ triều làm Trái Đất quay chậm dần rất nhẹ qua hàng thế kỷ, và các biến động bên trong lòng đất, khí quyển, đại dương làm độ dài ngày dao động từng mili giây.
Năm 1960, giây được gắn vào chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời trong năm 1900. Định nghĩa này ổn định hơn, nhưng gần như không ai "làm ra" được một giây theo kiểu đó trong phòng thí nghiệm. Nó chỉ tồn tại sau khi tính toán từ quan sát thiên văn.
Đồng hồ nguyên tử đầu tiên
Năm 1955, Louis Essen và Jack Parry tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL) cho chạy đồng hồ nguyên tử cesium thực dụng đầu tiên. Ý tưởng là: mỗi nguyên tử cesium-133 có một "nhịp" riêng, là tần số của sóng vi ba khiến nó chuyển giữa hai trạng thái năng lượng rất gần nhau. Nhịp ấy giống nhau ở mọi nguyên tử, mọi nơi, mọi lúc.
Các nhà khoa học đo xem trong một giây lịch thiên văn có bao nhiêu nhịp như vậy và ra con số 9.192.631.770. Năm 1967, Đại hội Cân đo Quốc tế lần thứ 13 lấy chính con số này làm định nghĩa. Từ đó, giây không còn phụ thuộc vào bầu trời nữa. Phòng thí nghiệm nào có đồng hồ cesium cũng tự tạo được một giây chuẩn.
Vì sao lại là cesium
- Cesium-133 là đồng vị bền duy nhất có trong tự nhiên của cesium, nên mẫu nào cũng như nhau.
- Tần số chuyển mức nằm trong vùng vi ba, khoảng 9,2 GHz, thuận tiện cho kỹ thuật điện tử thời thập niên 1950.
- Nguyên tử nặng, dễ tạo thành chùm và dễ đo.
Đồng hồ nguyên tử chính xác cỡ nào
Những đồng hồ cesium tốt nhất hiện nay, loại "đài phun" làm lạnh nguyên tử bằng laser rồi tung chúng lên xuống trong buồng chân không, chính xác tới mức nếu chạy liên tục thì phải hàng chục triệu năm mới lệch khoảng một giây. Con số cụ thể khác nhau giữa các phòng thí nghiệm.
Thế hệ mới, gọi là đồng hồ quang học, dùng nguyên tử như stronti hay ytterbi với "nhịp" ở tần số ánh sáng, cao hơn vi ba hàng chục nghìn lần. Chúng đã vượt đồng hồ cesium nhiều bậc về độ ổn định. Vì thế cộng đồng đo lường quốc tế đang chuẩn bị cho một lần định nghĩa lại giây, có thể vào khoảng thập niên 2030, khi thống nhất được nên chọn nguyên tử nào.
Một chi tiết thú vị: đồng hồ quang học nhạy tới mức thấy được thuyết tương đối của Einstein trong đời thường. Nâng một đồng hồ lên cao vài chục centimet, nó chạy nhanh hơn một lượng cực nhỏ nhưng đo được, vì trọng trường yếu đi một chút.
Một giây trên Trái Đất có bằng nhau không
Định nghĩa 1967 là cho một nguyên tử ở yên, tại nhiệt độ không tuyệt đối, không bị nhiễu. Thực tế, các đồng hồ ở những độ cao khác nhau chạy lệch nhau chút ít. Để có một thang giờ chung cho cả thế giới, Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) ở Pháp tổng hợp số liệu từ hàng trăm đồng hồ nguyên tử ở nhiều nước, hiệu chỉnh độ cao, rồi đưa ra Giờ Nguyên tử Quốc tế (TAI). Giờ phối hợp quốc tế (UTC) mà điện thoại ta hiển thị được dẫn ra từ đó.
Cảm nhận một giây
Một giây đủ để làm những gì? Vài mốc dễ nhớ:
- Ánh sáng đi được 299.792.458 mét, gần bằng bảy vòng rưỡi quanh xích đạo.
- Âm thanh trong không khí ở 20 °C đi khoảng 343 mét.
- Tim người trưởng thành lúc nghỉ đập khoảng một lần.
- Nguyên tử cesium "dao động" hơn 9,19 tỉ lần.
Mẹo đếm giây khi không có đồng hồ là đọc "một nghìn lẻ một, một nghìn lẻ hai…": mỗi cụm đọc ở nhịp vừa phải mất chừng một giây. Bạn có thể tự thử: đếm mười cụm rồi so với đồng hồ bấm giờ trên điện thoại. Hầu hết người lần đầu thử sẽ lệch vài phần mười giây đến hơn một giây. Tập vài lần, sai số giảm rõ.
Góc nhìn hôm nay
Giây là đơn vị được đo chính xác nhất trong mọi đơn vị con người từng định nghĩa. Mét được định nghĩa qua giây và tốc độ ánh sáng, nhiều đơn vị khác cũng dựa vào giây. Mỗi lần điện thoại tự chỉnh giờ, nó đang nhận lại tín hiệu bắt nguồn từ một nhóm đồng hồ nguyên tử ở đâu đó. Muốn đọc thêm, trang của BIPM có tài liệu "SI Brochure" mô tả chính thức định nghĩa giây, và nhiều viện đo lường quốc gia có bài phổ biến về đồng hồ nguyên tử.
Câu hỏi thường gặp
Một giây được định nghĩa như thế nào?
Từ năm 1967, một giây là thời gian của 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ ứng với sự chuyển giữa hai mức siêu tinh tế ở trạng thái cơ bản của nguyên tử cesium-133. Định nghĩa này dựa vào một hằng số của tự nhiên, không phụ thuộc vào Trái Đất.
Trước đồng hồ nguyên tử, giây được tính thế nào?
Trước 1960, giây là 1/86.400 của ngày mặt trời trung bình. Từ 1960 đến 1967, giây được gắn với độ dài năm chí tuyến 1900. Cả hai đều dựa vào chuyển động của Trái Đất, vốn không hoàn toàn đều.
Vì sao chọn nguyên tử cesium để định nghĩa giây?
Vì cesium-133 là đồng vị bền duy nhất trong tự nhiên của nguyên tố này, mọi nguyên tử giống nhau, và tần số chuyển mức của nó ở vùng vi ba dễ đo bằng kỹ thuật điện tử thập niên 1950.
Đồng hồ nguyên tử sai bao nhiêu?
Đồng hồ cesium tốt nhất phải chạy hàng chục triệu năm mới lệch khoảng một giây. Đồng hồ quang học thế hệ mới còn ổn định hơn nhiều bậc, nên giây có thể được định nghĩa lại trong tương lai.
Có định nghĩa lại giây nữa không?
Có khả năng. Cộng đồng đo lường quốc tế đang chuẩn bị định nghĩa lại giây dựa trên đồng hồ quang học, dự kiến vào khoảng thập niên 2030, khi thống nhất được loại nguyên tử và phương pháp.
