Đồng hồ nguyên tử – Chênh lệch 1 giây sau 3 triệu năm?

Dù là đồng hồ cơ hay đồng hồ pin thì đều có sai số trong khoảng nhất định. Nhưng độ sai số đồng hồ nguyên tử thì gần như là không! Nó được hoạt động theo nguyên tắc nào, cùng Viện Đồng Hồ tìm lời giải đáp nhé.

Đồng hồ nguyên tử là gì?

Đồng hồ nguyên tử là đồng hồ tính toán thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử. Tần số dao động của nguyên tử không đổi và có thể đo được. Chính vì thế, đồng hồ nguyên tử được xem là một trong những loại đồng hồ chính xác nhất cho tới nay.

Đọc thêm thông tin về đồng hồ nguyên tử tại đây

Lịch sử phát triển đồng hồ nguyên tử

Năm 1945, Tiến sĩ Isidor Isaac Rabi đã phát minh ra cơ chế hoạt động của đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, nó chưa được hoàn thiện.

Năm 1949, đồng hồ nguyên tử đầu tiên hoạt động theo chuyển động của phân tử Amoniac được chế tạo bởi Viện tiêu chuẩn và kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ (NIST, trước kia NBS).

Năm 1955, nhà vật lý học Louis Essen và Jack Parry chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử hoạt động theo chuyển động nguyên tử cesium (133Cs) tại phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL).

Năm 1967, “đồng hồ nguyên tử Cesium-133” trở thành tiêu chuẩn để xác định một giây trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế. Trong số các đồng vị khác nhau của các nguyên tử cesium, cesium-133 là đồng vị duy nhất không phát ra các tia phóng xạ, tồn tại ở trạng thái ổn định trong tự nhiên.

Đồng hồ nguyên tử được dùng để đo chính xác thời gian, xác định và phối hợp các múi giờ và các hệ thống giờ với nhau. Bên cạnh đó, nó còn được sử dụng trong tên lửa, máy bay không người lái. Thậm chí, đồng hồ nguyên tử còn được dùng để đo thời gian, xác định khoảng cách trên vệ tinh trong các hệ thống định vị như GPS, GLONASS hay Galileo.

Nguyên tắc hoạt động của đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên cơ sở kích thích cho các electron của nguyên tử nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và ngược lại. Các electron của nguyên tử phát ra sóng điện từ có tần số nhất định và lấy chu kỳ dao động của sóng điện từ đó làm chuẩn để đo thời gian.

Theo các nhà khoa học, cứ 9.192.631.770 chu kỳ sóng điện từ của chuyển động giữa hai trạng thái năng lượng của nguyên tử Cesium-133 phát ra mất 1 giây. Hay nói cách khác là trong 1 giây, nguyên tử Cesium-133 chuyển đổi giữa 2 trạng thái năng lượng 9.192.631.770 lần. Dựa vào chu kỳ của nguyên tử Cesium, bộ phận cộng hưởng vi sóng của đồng hồ nguyên tử sẽ tự điều chỉnh tần số và so sánh tần số với bức xạ nguyên tử cho hai giá trị này luôn khớp, từ đó đo được 1 giây chính xác của đồng hồ nguyên tử.

Kể từ khi đồng hồ này ra đời, loại nguyên tử được sử dụng trong đồng hồ nguyên tử đã thay đổi liên tục theo thời gian: Đầu tiên nó được sử dụng phân tử Amoniac, hiện tại là Cesium, Rubidium, Hydro, Strontium,.. và trong tương lai có thể là ánh sáng.

Một nguyên tử bao gồm một hạt nhân nguyên tử và các electron tuần hoàn xung quanh nó. Các loại nguyên tử khác nhau tạo nên môi trường vật lý, mỗi loại có năng lượng riêng được quyết định bởi số electron quay quanh và lực hút điện từ.

Nguyên tử hấp thụ rồi phát ra ánh sáng và sóng điện ở tần số cụ thể khi nó thay đổi thành trạng thái năng lượng khác. Dựa vào yếu tố này, đồng hồ nguyên tử sử dụng các sóng điện từ và tần số ánh sáng của các loại nguyên tử để làm tiêu chuẩn đo lường thời gian chính xác cao của các loại nguyên tử như hydro, cesium, rubidium có tần số dao động ít chênh lệch nhất.

Đồng hồ nguyên tử có chính xác không?

Dựa trên tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ chính xác nhất cho tới nay. Một chiếc đồng hồ cơ chính xác nhất có độ sai số khoảng từ -4 đến +6 giây/ngày còn đồng hồ pin tốt nhất có độ chính xác +-2 giây sau 10 ngày. Trong khi đó, đồng hồ nguyên tử lại có độ chính xác gần như là tuyệt đối.

Với sự ra đời của đồng hồ nguyên tử, các nhà khoa học đã có thể đưa ra mức tiêu chuẩn cho đơn vị một giây. Độ chính xác đồng hồ nguyên tử thường có giá trị khoảng 10 − 14 (chênh lệch 1 giây sau 3 triệu năm). Mức độ chuẩn xác thời gian đáng kinh ngạc này có vai trò cực kỳ quan trọng trong nghiên cứu khoa học hiện nay cũng như trong tương lai.

Các lĩnh vực sử dụng đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử được dùng để xác định giờ Quốc tế UTC (Coordinated Universal Time). Trên các dòng điện thoại, máy tính hiện nay, nếu anh chị em chọn múi giờ tự động, điện thoại sẽ lấy dữ liệu thời gian từ UTC để hiển thị. Nói cách khác, giờ đồng bộ trên điện thoại thông minh, máy tính hiện nay đều được cung cấp bởi đồng hồ nguyên tử.

Ngoài ra, đồng hồ nguyên tử còn được sử dụng làm đồng hồ đeo tay với hai phiên bản. Một loại đồng hồ nguyên tử đeo tay có bộ phận vi sóng rất nặng và cồng kềnh được gắn trực tiếp trên đồng hồ. Loại còn lại là đồng hồ bắt sóng nguyên tử, có thiết kế như đồng hồ thời trang thông thường, được lắp ráp một bộ phận có thể thu nhận sóng phát ra từ các trạm phát đồng hồ nguyên tử để đồng bộ giờ, gọi là đồng hồ Radio Controlled. Các thương hiệu sản xuất có thể kể đến như Citizen, Casio, Reizen,…

Bên cạnh đó, đồng hồ nguyên tử được ứng dụng rộng rãi trong tên lửa, máy bay không người lái và được ứng dụng để đo lường khoảng cách trên các vệ tinh cho hệ thống vệ tinh GPS, GLONASS, Galileo.

Có nên mua đồng hồ nguyên tử không?

Tuy không thể phủ nhận rằng sự phát minh ra đồng hồ nguyên tử một điều kỳ diệu trong sự khéo léo của con người. Nếu không có sáng kiến này làm nền cho khoa học, các hệ thống định vị toàn cầu và công nghệ khác mà phụ thuộc vào tính chính xác thời gian chính xác sẽ không đạt hiệu quả như hôm nay.

Tuy vậy, một chiếc đồng hồ nguyên tử có lẽ không ảnh hưởng gì nhiều đến cuộc sống thường ngày bởi chẳng mấy ai bận tâm đến độ chính xác đến mili giây. Nhưng với những người đam mê thì việc sở hữu chiếc đồng hồ này là điều bình thường, xuất phát từ sở thích cá nhân.

Nếu anh chị em là người yêu thích và khao khát phải sở hữu công nghệ đo giờ mới nhất, tiên tiến nhất trên đồng hồ thì đồng hồ nguyên tử là lựa chọn hàng đầu. Tuy nhiên giá thành của chiếc đồng hồ này trên thị trường cũng có thể làm anh chị em choáng váng.

Trên đây là toàn bộ thông tin về đồng hồ nguyên tử là gì. Nếu có bất kỳ thắc mắc nào khác, anh chị em hãy đặt câu hỏi bên dưới để Viện Đồng Hồ giải đáp thắc mắc nhé.