I. Giới thiệu về đo lường thời gian
Thời gian là một trong những phép đo hàng ngày mà chúng ta thường bỏ qua. Nhưng việc đo lường thời gian chính xác vẫn luôn là bài toàn của nhân loại từ xa xưa, tiếp tục tới ngày nay và sẽ còn là bài toán của nhiều thế hệ nữa.
II. Những phương pháp đo thời gian từ thời xưa
Trước khi có những thiết bị đo thời gian, trước cả khái niệm “đồng hồ” tồn tại, con người đã sử dụng những hiện tượng xung quanh như: ngày/ đêm, mùa, mặt trăng để cố gắng theo dõi dòng chảy của thời gian.
Tới thời kỳ hiện đại hơn đồng hồ cơ được phát minh ở Châu Âu, khoảng năm 1656 đồng hồ quả lắc đã có thể đếm từng giây và chỉ thời gian tuy vẫn cần chỉnh sai số định kỳ. Tới thế kỷ 20 đồng hồ sử dụng tinh thể thạch anh đã loại bỏ hoàn toàn vấn đề này và đây là loại đồng hồ phổ biến tới tận ngày nay.
III. Thời gian là vàng bạc
Câu nói thời gian là vàng bạc thực sự không hề là câu nói cửa miệng và ẩn dụ. Việc chuẩn hóa thời gian bắt nguồn từ những năm 1800 khi hệ thống tàu hỏa cần xác định thời điểm tàu đến chuẩn xác ở các nhà ga trên cả nước và từng thành phổ để phục vụ khách đi tàu. Sau này việc giờ GMT được thống nhất là một trong những yếu tố quan trọng để hệ thống ngân hàng, điện tín, internet v…v… có thể hoạt động được.
Cùng với sự phát triển của công nghệ thì giờ UTC – Co ordinated Universal Time được đồng bộ bằng các đồng hồ nguyên tử với độ sai lệch rất nhỏ, cứ mỗi 800 ngày UTC sẽ lệch tổng cộng chỉ có 1 giây. Những hệ thống đòi hỏi sự chính xác cao hơn nữa cũng được chúng ta sử dụng hàng ngày ví dụ như GPS, Internet … Việc đếm thời gian chuẩn xác còn phục vụ mục đích đo lường cả trong công nghiệp và khoa học. Các thí nghiệm vật lý tiếp tục sử dụng những thang thời gian ngày một nhỏ tới pico giây (10^-12)
Vào năm 2014, một cuộc điều tra khảo sát ở Mỹ đã chỉ ra rằng bằng việc sử dụng các hệ thống mua-bán tần xuất cao (High Frequency Trading) để thắng các lệnh mua hoặc bán cổ phiếu từ các máy tính chậm hơn. Các quỹ đầu tư mua bán đã kiếm lợi tới hàng tỷ đô-la. Theo CNBC.
Vào những thời ký trước khi mà đồng hồ Thụy Sĩ là biểu tượng của sự chính xác và cùng với sự chính xác này là giá cả cực kỳ cao, việc tìm ra một giải pháp để “phổ cập” giải pháp đo thời gian vừa chính xác vừa đủ vừa có giá cả phải chăng là một trong những bài toán lớn của ngành đo lường. Đồng hồ cơ giá rẻ ở thời trước nhìn chung chỉ ở mức “đủ tốt” – không đạt tiêu chuẩn của đồng hồ bấm giờ được đài thiên văn chứng nhận, nhưng trong thời đại của đồng hồ công cộng phổ biến, việc phải đặt lại đồng hồ của mỗi hoặc hai tuần không phải là một vấn đề quá lớn. Sự phát triển của đồng hồ thạch anh sản xuất hàng loạt giải quyết hai vấn đề bằng một thiết bị duy nhất. Thạch anh về cơ bản đã thay đổi ngành kinh doanh, làm cho độ chính xác đáng kinh ngạc đủ rẻ để về cơ bản là dùng một lần. Ngày nay, bất kỳ ai muốn đều có thể dễ dàng có được một chiếc đồng hồ thạch anh có hiệu suất tốt hơn gấp 10 lần so với những chiếc đồng hồ cơ khí tốt nhất từng được sản xuất.
Ngày nay các công ty hoặc thậm chí cá nhân đã có thể sở hữu những chuẩn thời gian với độ chính xác cao ngay trên tay nhờ công nghệ liên lạc vệ tinh. Các điện thoại di động có thể thu được tín hiệu vệ tinh và có thể liên kết chuẩn trực tiếp với giờ UTC. Đối với các công ty, doanh nghiệp sản xuất công nghệ cao có nhu cầu về đo thời gian chuẩn họ có thể mua thậm chí là đồng hồ nguyên tử Cesium hoặc đồng hồ nguyên tử Hydro (Hydrogen maser).
Ngày nay bất kỳ doanh nghiệp hay cá nhân nào cũng có thể sử dụng chuẩn thời gian phù hợp với ứng dụng của mình mà không cần chi phí rất lớn. Một đồng hồ tinh thể rubi với cấp chính xác 10^-11 có kích thước rất nhỏ. Module này có thể cung cấp tín hiệu 10 MHz tham chiếu cho các mạch PCB cần sự chính xác, vd mạch điều khiển cánh tay robot, mạch phát tín hiệu liên lạc.
Một bộ đếm tần số thời gian để bàn có thể được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng liên quan ví dụ như: đo độ trễ lan truyền (propagation delay) của mạch PCB, đo chất lượng của nguồn phát sóng RF hoặc đếm thời gian.
Ứng dụng của chuẩn thời gian
Thực ra việc đồng bộ thời gian có ứng dụng ở khắp nơi tuy không thực sự dễ thấy. Những ứng dụng cao siêu như đồng bộ thời gian ở vệ tinh, điện thoại di động, GPS, liên lạc giữa các server dịch vụ ngân hàng, cổ phiếu có thể là những ứng dụng còn quá xa vời với phần lớn độc giả. Nhưng đồng hồ chính xác xuất hiện ở mọi nơi. Ở các giải thi đấu từ điền kinh tới đua xe F1, ngày nay người ta đã sử dụng đồng hồ bấm giờ tự động với cấp chính xác rất cao.
Cùng với công nghệ touchpad và đồng hồ chính xác Olympic ngày nay có thể phân biệt những chiến thắng tới 0.01 giây.
- Michael Phelps năm 2008 – Phelps thắng Milorad Čavić ở nội dung 100m bướm với thời gian 0,01 giây.
- Jenny Thompson năm 1992 – Thompson chạm tường 0,01 giây trước đối thủ Le Jingyi trong nội dung 100m tiếp sức tự do để giành HCV cho Mỹ.
- Ian Thorpe năm 2000 – Thorpe lập kỷ lục thế giới ở nội dung 400m tự do, đánh bại Grant Hackett 0,01 giây.
Các đội đua F1 cũng sử dụng đồng hồ nguyên tử để tính thời gian đua và tối ưu thời gian vào pit. Trên mỗi một node thu thập dữ liệu sẽ có một module “clock – đồng hồ” để gắn nhãn thời điểm (timestamp) vào các giá trị đo. Từ đo các nhóm đua F1 có thể thu nhận và phân tích dữ liệu của hàng trăm kênh dữ liệu từ xe đua đồng thời, trong thời gian thực. Công nghệ này cũng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển cần có tốc độ cao như cánh tay robot, các hệ thống tự động hóa trong nhà máy. Những “đồng hồ” chính xác này là ứng dụng của bộ giao động thạch anh hoặc ruby hoặc Cesi kể ở phần trên.
Một ứng dụng thú vị không kém đối với các bạn trẻ là chơi game online. “Lag” hay còn gọi nôm na là hiện tượng “giật” là một phần không nhỏ ảnh hướng tới trải nghiệm của người chơi, đặc biệt là đối với người chơi nhưng tựa game thời gian thực. Sử dụng công nghệ đồng bộ thời gian chính xác, Valve, công ty sản xuất game nổi tiếng thời gian thực Half-life sử dụng timestamp để “quay ngược thời gian” , bù trừ cho thời gian gói tin đi từ máy người chơi tới server trò chơi và tới máy người chơi thứ hai. Kết quả từ công nghệ này, kết hợp với thuật toán xử lý, là việc người chơi gần như không nhận thấy vấn đề từ độ trễ này nữa.
Lời kết
Tất nhiên, không có gì sẽ làm giảm khả năng sử dụng định vị GPS của bạn, chứ chưa nói đến việc khiến bạn trễ cuộc họp buổi chiều hoặc ăn tối với bạn bè. Những thay đổi và phát triển về khả năng đo thời gian của con người trong phòng nghiên cứu, thâm chí trên các bài nghiên cứu của bộ môn vật lý vẫn còn xa mới được sử dụng phổ biến như đồng hồ nguyên tử , chứ đừng nói đến các tiêu chuẩn được dùng phổ biến hiện nay.
Tuy nhiên, điều này là một phần của truyền thống phát triển đồng hồ từ xưa tới nay. Các nhà khoa học và kỹ sư không bao giờ hài lòng với những gì tốt nhất mà họ có và luôn tiến về phía trước, tưởng tượng những điều tuyệt vời có thể làm được nếu họ có một chiếc đồng hồ tốt hơn một chút. Chúng ta đã trực tiếp chứng kiến điều này khi Galileo Galilei đề xuất sử dụng các mặt trăng của Sao Mộc làm đồng hồ 40 năm trước khi Jean-Dominique Cassini và Ole Rømer biến nó thành hiện thực, hay Gemma Frisius đề xuất đồng hồ bấm giờ để theo dõi kinh độ 200 năm trước John Harrison. Nó thậm chí còn được nhìn thấy trong các bia mộ của cận thần Ai Cập Amenemhet vào năm 1500 trước Công nguyên, chào mời phát minh của ông về đồng hồ nước đo giờ cho các mùa khác nhau.
Việc thúc đẩy độ chính xác cao hơn bao giờ hết đã thúc đẩy sự sáng tạo trong hàng nghìn năm, đối với cả những nhà phát minh cá nhân nổi tiếng như Christiaan Huygens và Su Song, và đối với những người thợ ẩn danh vào khoảng năm 1300 CN, những người đã phát minh ra chiếc đồng hồ cát đầu tiên hoặc chiếc đồng hồ cơ đầu tiên. Tên của họ có thể không còn trong lịch sử, nhưng công việc của họ đã thúc đẩy khoa học và công nghệ tiến lên và tạo nền tảng vững chắc cho những khám phá sau này.
Động lực hướng tới các phép đo tốt hơn này cũng được phản ánh trong khoa học cơ bản , trong nhu cầu khám phá trật tự từ các mô hình phức tạp của thế giới tự nhiên để dự đoán tương lai tốt hơn. Cho dù đó là Simon Newcomb biên soạn Bảng Mặt trời, Tycho Brahe và Johannes Kepler vẽ sơ đồ quỹ đạo của Sao Hỏa, các thầy tu kiêm nhà thiên văn học Maya theo dõi sự mọc lên của Sao Kim, hay thậm chí là những người xây dựng Newgrange chất đống hàng tấn đá để đánh dấu ngày đông chí, các nhà thiên văn học đã dành hàng thiên niên kỷ để tinh chỉnh các quan sát của họ để biết không chỉ bây giờ là mấy giờ mà còn là mấy giờ trong tương lai khi các chu kỳ thiên văn tự lặp lại.
Vì vậy, trong khi các đồng hồ hiện có là quá đủ để định thời gian cho các sự kiện hàng ngày và điều hướng bằng GPS, không có gì ngạc nhiên khi các nhà vật lý tiếp tục đẩy mạnh giới hạn của phép đo thời gian. Truyền thống hàng thiên niên kỷ về việc con người thiết kế và chế tạo những chiếc đồng hồ ngày càng tốt hơn không có dấu hiệu sẽ sớm kết thúc.
