Theo: A matter of time – Nature Phys 13, 1234 (2017)
Sự xuất hiện của một loại chuẩn thời gian mới báo trước sự kết thúc của định nghĩa đơn vị giây như chúng ta thường biết, Helen Margolis giải thích ở bài báo dưới đây.
Năm mươi năm trước, Đại hội đồng về Trọng lượng và Đo lường đã quyết định rằng đã đến thời điểm phải có một định nghĩa mới cho một giây, và tuyên bố rằng
Định nghĩa một giây là thời gian của 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển tiếp giữa hai vạch phổ ở trạng thái cơ bản của xêsi 133.
Quyết định này đánh dấu một sự thay đổi cơ bản trong triết học – một bước chuyển từ các định nghĩa thiên văn học trước đây sang một định nghĩa dựa trên một hiện tượng lượng tử.
Nguyên tắc cơ bản – rằng sự chuyển đổi giữa các mức năng lượng nguyên tử rời rạc có thể đóng vai trò là một đơn vị tần số tự nhiên – đã được hiểu rõ trong nhiều thập kỷ. Nhưng chỉ mười hai năm trước, Louis Essen (ảnh, phải) và Jack Parry (trái) đã chế tạo đồng hồ nguyên tử xêsi đầu tiên tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL). Họ lần đầu tiên quan sát đường cộng hưởng nguyên tử vào tháng 5 năm 1955 và Essen sau đó đã viết:
Chúng tôi đã mời Giám đốc đến và chứng kiến cái chế của định nghĩa một giây theo thiên văn học và sự ra đời của thời gian định nghĩa bằng nguyên tử.
Bằng cách nghiên cứu cẩn thận sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào điều kiện môi trường, Essen và Parry dứt khoát chỉ ra rằng đồng hồ mới của họ ổn định hơn nhiều so với thang thời gian thiên văn dựa trên chuyển động của các thiên thể. Nhưng điều này là không đủ. Một nguyên lý cơ bản của đo lường là một định nghĩa mới của bất kỳ đơn vị đo lường nào cũng phải phù hợp với định nghĩa cũ trong phạm vi không đảm bảo đo.
Do đó, cần phải đo tần số của đồng hồ xêsi so với giây thiên văn. Đối với Essen và Parry, điều này có nghĩa là chuẩn thời gian được phổ biến từ Đài thiên văn Hoàng gia Greenwich (RGO) – dựa trên các quan sát về vòng quay của Trái đất quanh trục của nó. Báo cáo đầu tiên của họ về hoạt động của đồng hồ xêsi, bao gồm phép đo tần số sơ bộ, xuất hiện vào tháng 8 năm 1955, và sau đó là một bài báo chi tiết hơn và phép đo tần số 4 được cải thiện.
Tuy nhiên, chu kỳ quay của Trái đất không phải là hằng số. Mặc dù RGO đã áp dụng các hiệu chỉnh cho các biến động theo mùa và chuyển động của trục quay, nhưng người ta biết rằng các khoảng thời gian thiên văn như vậy cũng bị trôi dạt theo thời gian dài. Tìm kiếm một đơn vị thời gian ổn định hơn, các nhà thiên văn học đã chọn di chuyển đến thời gian theo lịch thiên văn, tức là dựa trên chu kỳ chuyển động quỹ đạo của Trái đất quanh Mặt trời. Năm 1956, Ủy ban Quốc tế về Trọng lượng và Đo lường đã làm theo, chọn giây của thời gian theo lịch thiên văn làm đơn vị thời gian cơ sở trong Hệ đơn vị quốc tế.
Mặc dù thời gian thiên văn ổn định hơn, chu kỳ chuyển động quỹ đạo của Trái đất về Mặt trời dài hơn nhiều so với thực tế yêu cầu của hầu hết các mục đích đo lường. Tuy nhiên, Essen bây giờ cần phải liên kết chuẩn tần số xêsi với giây thiên văn. Ông đã đạt được điều này bằng cách hợp tác với William Markowitz từ Đài thiên văn Hải quân Hoa Kỳ (USNO), người đã sử dụng một loại máy ảnh mặt trăng mới để quan sát vị trí của Mặt trăng trong khoảng thời gian ba năm, do đó có được nhận thức chính xác về giây thiên văn. Các tín hiệu thời gian vô tuyến tầm xa được sử dụng để so sánh các thang thời gian tại NPL và USNO, cho phép đo tần số của đồng hồ xêsi NPL so với giây thiên văn. Độ không đảm bảo đo là 20 Hz phần lớn là do sai số trong các phép quan sát thiên văn và so sánh khoảng thời gian chứ không phải bởi sai số của chính đồng hồ xêzi, và giá trị số thu được là giá trị xuất hiện trong định nghĩa một giây năm 1967.
Việc lựa chọn quá trình chuyển tiếp nguyên tử xêsi làm cơ sở cho định nghĩa thời gian đã được chứng minh hiệu quả tốt trong khoảng thời gian sau này. Độ chính xác của đồng hồ xêsi đã được cải thiện đều đặn và các tiêu chuẩn tần số chính của chuẩn mẫu thời gian xêsi tốt nhất hiện nay đã chính xác đến một phần 1016.
Tuy nhiên, gần đây, một thế hệ đồng hồ nguyên tử quang học mới đã vượt qua của đồng hồ nguyên tử xêsi cả về độ ổn định và so số ước tính6,7, làm tăng triển vọng định nghĩa lại một giây lần thứ hai trong tương lai. Những đồng hồ mới này có được độ chính xác được cải thiện từ tần số hoạt động cao hơn nhiều – cao hơn khoảng năm bậc so với tần số hấp thụ vi sóng trong xêzi. Mặc dù vẫn còn nhiều công việc quan trọng để xác nhận khoảng sai số của đồng hồ quang học thông qua so sánh quốc tế, để kết hợp chúng vào thang thời gian quốc tế và thiết lập ứng cử viên hàng đầu cho một định nghĩa mới, những ngày của định nghĩa dựa trên nguyên tử xêsi gần như chắc chắn không còn nhiều nữa.
Về tác giả:
National Physical Laboratory, London, TW11 0LW, Teddington, UK
