Tại sao đồng hồ nguyên tử được phát minh?

Đồng hồ nguyên tử hoạt động như thế nào?

Đồng hồ nguyên tử là một loại đồng hồ sử dụng tần số cộng hưởng nhất định của các nguyên tử để giữ thời gian với độ chính xác cực cao. Các thành phần điện tử của đồng hồ nguyên tử được điều chỉnh bởi tần số của bức xạ điện từ vi sóng. Chỉ khi bức xạ này được duy trì ở một tần số rất cụ thể thì nó mới gây ra sự thay đổi năng lượng của các nguyên tử cesium hoặc rubidium. Trong đồng hồ nguyên tử, những thay đổi năng lượng này được quan sát và duy trì trong một vòng tần số của bức xạ điện từ; giống như các sự kiện lặp lại trong các loại đồng hồ khác, những sóng này sau đó được đếm. 

Đồng hồ nguyên tử cesium, đóng vai trò là chuẩn cho giây của Hệ thống đơn vị quốc tế (SI), hoạt động dựa trên sự chuyển đổi giữa hai mức năng lượng của nguyên tử cesium-133. Khi các nguyên tử cesium tiếp xúc với bức xạ vi sóng ở tần số khoảng 9.192.631.770 Hz, chúng chuyển đổi giữa các mức năng lượng này. Tần số chính xác này được sử dụng để xác định giây.

Các nguyên tử Cesium được đưa vào một khoang vi sóng, tại đó chúng được tiếp xúc với bức xạ vi sóng ở tần số cụ thể. Một máy dò kiểm tra xem có bao nhiêu nguyên tử chuyển đổi giữa các mức năng lượng. Các cơ chế phản hồi điều chỉnh tần số vi sóng để đảm bảo nó khớp với tần số chính xác cần thiết cho các chuyển đổi tối đa. Tần số chuyển đổi nguyên tử được sử dụng để điều chỉnh bộ dao động thạch anh, giúp tính toán thời gian.

Có bốn loại đồng hồ nguyên tử cơ bản.

Đồng hồ Cesium: Đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất và có ý nghĩa lịch sử nhất. Đồng hồ Cesium định nghĩa giây và được sử dụng trong nhiều tiêu chuẩn quốc gia.

Đồng hồ Rubidium: Nhỏ hơn và rẻ hơn đồng hồ Cesium nhưng không chính xác bằng. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao nhưng không đạt đến mức của đồng hồ Cesium.

Hydrogen Maser: Những chiếc đồng hồ này có độ ổn định cao trong thời gian ngắn và được sử dụng kết hợp với đồng hồ cesium để đo thời gian rất chính xác trong các ứng dụng khoa học.

Đồng hồ quang học: Một công nghệ mới hơn sử dụng chuyển đổi quang học (ánh sáng nhìn thấy ​​hoặc cực tím) thay vì chuyển đổi vi sóng. Chúng hứa hẹn độ chính xác thậm chí còn cao hơn so với đồng hồ nguyên tử truyền thống.

Rõ ràng là đồng hồ nguyên tử không giống lắm với đồng hồ tiêu chuẩn và khác xa so với đồng hồ cổ được sản xuất tại châu Âu trong 400 năm qua. Có nhiều lý do chính đáng cho điều này vì chúng được cung cấp năng lượng theo cách rất khác so với đồng hồ cơ.

Tại sao đồng hồ nguyên tử lại quan trọng?

Năm 1967, Hội nghị toàn thể lần thứ 13 về Cân đo đã định nghĩa lại giây, đơn vị thời gian trong Hệ thống Đơn vị Quốc tế, theo chuẩn xesi để bằng giây của Thời gian Ephemeris, tức là thời gian theo thang đo được xác định theo chu kỳ quỹ đạo chứ không phải theo trục quay của Trái Đất.

“Khoảng thời gian 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với quá trình chuyển đổi giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử xesi-133.”

Định nghĩa của giây, được định nghĩa lại tại Hội nghị chung lần thứ 13 về Cân đo năm 1967

Cho đến những năm 1990, đồng hồ nguyên tử chùm tia cesium là tiêu chuẩn chính xác nhất về thời gian và tần số nguyên tử. Nguyên lý cơ bản của đồng hồ cesium là tất cả các nguyên tử cesium-133 đều giống hệt nhau và khi chúng hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng, chúng tạo ra bức xạ có cùng tần số chính xác, khiến các nguyên tử trở thành những chiếc đồng hồ hoàn hảo. Kể từ đó, các phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đã dần cải thiện độ chính xác của đồng hồ nguyên tử cesium. Những chiếc đồng hồ này có tên như vậy là do chuyển động giống như đài phun nước của khí cesium. Quá trình tính thời gian bắt đầu bằng cách đưa khí cesium vào một buồng chân không và chiếu sáu tia laser hồng ngoại để nén chặt và làm chậm các nguyên tử cesium xuống nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối. 

Tiếp theo quá trình này, hai tia laser thẳng đứng được sử dụng để đẩy các nguyên tử lên khoảng một mét, tạo ra một 'đài phun nước', thông qua một khoang chứa đầy vi sóng. Tần số vi sóng được điều chỉnh để tối đa hóa huỳnh quang quan sát được, xảy ra ở cộng hưởng tự nhiên

Vì chuyến đi khứ hồi qua khoang vi sóng mất khoảng một giây, nên việc kiểm soát tần số vi sóng đã mang lại độ chính xác cao hơn trong việc tính giờ. Đồng hồ nguyên tử đài phun nước cesium tốt nhất hiện được dự đoán sẽ sai lệch ít hơn một giây trong hơn 50 triệu năm.

Xem thêm:

• Đồng hồ nguyên tử là gì? Những loại đồng hồ nguyên tử tốt nhất

• Chronometer là gì? Thế giới của những chiếc đồng hồ siêu chính xác

Ai là người phát minh ra đồng hồ nguyên tử?

Louis Essen sinh ngày 6 tháng 9 năm 1908 tại Nottingham, Anh. Ông là một nhà vật lý người Anh đã phát minh ra đồng hồ vòng tinh thể thạch anh và đồng hồ nguyên tử thực tế đầu tiên. Những thiết bị này có khả năng đo thời gian chính xác hơn bất kỳ đồng hồ nào trước đó.

Essen học vật lý tại Cao đẳng Đại học Nottingham, nơi ông lấy bằng vật lý của Đại học London và bằng Tiến sĩ Khoa học. Năm 1929, ông bắt đầu nghiên cứu về các tiêu chuẩn tần số và thời gian tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NLP) tại Teddington ở Middlesex, thực hiện các nghiên cứu về âm thoa và bộ dao động thạch anh. Các cuộc điều tra của ông đã đạt đến đỉnh cao với đồng hồ vòng thạch anh (1938), sử dụng các rung động cảm ứng điện của tinh thể thạch anh để đo thời gian. 

Đến năm 1950, Essen đã quan tâm đến khả năng sử dụng tần số của các vạch quang phổ nguyên tử để giữ thời gian với độ chính xác phi thường. Chiếc đồng hồ mà ông và người đồng nghiệp JVL Parry đã phát triển vào năm 1955 được điều chỉnh theo tần số cộng hưởng tự nhiên của các nguyên tử cesium. Nó chính xác đến một phần trong 10 tỷ và là đồng hồ nguyên tử đầu tiên đáp ứng các tiêu chuẩn về độ chính xác cần thiết cho các thiết bị như vậy. Đến năm 1957, họ đã phát triển một phiên bản cải tiến của chiếc đồng hồ có độ chính xác đến một phần trong một nghìn tỷ. Giá trị cực kỳ chính xác mà Essen và Parry thu được cho tần số của nguyên tử cesium vào năm 1958 đã cung cấp một tiêu chuẩn mới để đo thời gian, được gọi là thời gian nguyên tử và cuối cùng được sử dụng để định nghĩa lại đơn vị thời gian SI chuẩn, giây, theo tần số nguyên tử vào năm 1967.

Kể từ khi Essen và Parry phát minh ra đồng hồ nguyên tử, đã có một mức độ phát triển công nghệ phi thường trên toàn cầu.

Tiến bộ đầu tiên vượt xa độ chính xác của đồng hồ caesium đã diễn ra tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) của Hoa Kỳ vào năm 2010 với cuộc trình diễn đồng hồ quang học 'logic lượng tử' sử dụng các ion nhôm để đạt được độ chính xác cực cao.

Các nhà khoa học tại Viện Vật lý thiên văn phòng thí nghiệm chung ( JILA) đã chứng minh một chiếc đồng hồ stronti có độ chính xác tần số là mười mũ mười tám vào năm 2015. Các nhà khoa học tại NIST đã phát triển một chiếc đồng hồ logic lượng tử đo được một ion nhôm đơn lẻ vào năm 2019 với độ không chắc chắn về tần số là mười mũ mười chín. Giây dự kiến ​​sẽ được định nghĩa lại khi lĩnh vực đồng hồ quang học trưởng thành, vào khoảng năm 2026 hoặc 2030.

Tác động và ứng dụng hiện đại

Sự phát triển của đồng hồ nguyên tử đã dẫn đến một số tiến bộ đáng kể trong nhiều lĩnh vực, tác động đến cả công nghệ và cuộc sống hàng ngày.

Đo thời gian chính xác: Đồng hồ nguyên tử cực kỳ chính xác, chỉ sai một giây trong hàng triệu năm. Độ chính xác này rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng, bao gồm nghiên cứu khoa học và hệ thống định vị toàn cầu.

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS) : Độ chính xác của đồng hồ nguyên tử là yếu tố cơ bản đối với hoạt động của GPS. Các vệ tinh GPS sử dụng đồng hồ nguyên tử để đồng bộ hóa tín hiệu, cho phép xác định vị trí chính xác. Công nghệ này được sử dụng rộng rãi trong điều hướng cho giao thông vận tải, ứng dụng quân sự và dịch vụ định vị địa lý.

Viễn thông : Đồng bộ hóa do đồng hồ nguyên tử cung cấp là điều cần thiết cho mạng viễn thông. Thời gian chính xác đảm bảo truyền dữ liệu hiệu quả trên khoảng cách xa, cải thiện độ tin cậy và hiệu suất của mạng di động, internet và truyền thông vệ tinh.

Nghiên cứu khoa học : Các thí nghiệm về vật lý cơ bản, chẳng hạn như các thử nghiệm về thuyết tương đối rộng, phụ thuộc vào các phép đo thời gian chính xác do đồng hồ nguyên tử cung cấp. Đồng hồ nguyên tử được sử dụng trong thiên văn học vô tuyến và để đồng bộ hóa các kính thiên văn trên khắp thế giới, nâng cao độ phân giải và độ chính xác của các quan sát thiên văn.

Tài chính : Giao dịch tần suất cao và các giao dịch tài chính khác dựa vào việc theo dõi thời gian chính xác để đồng bộ hóa và đóng dấu thời gian cho các hoạt động. Đồng hồ nguyên tử giúp đảm bảo các giao dịch được thực hiện chính xác và công bằng, giảm nguy cơ xảy ra lỗi và sai lệch.

Tiêu chuẩn giờ quốc tế: Đồng hồ nguyên tử tạo thành cơ sở cho các tiêu chuẩn giờ quốc tế như Giờ phối hợp quốc tế (UTC). Chúng giúp duy trì tiêu chuẩn giờ toàn cầu thống nhất và chính xác, rất quan trọng đối với nhiều hoạt động toàn cầu, bao gồm hàng không, thám hiểm không gian và truyền thông quốc tế.

Thiên văn học: Đồng hồ nguyên tử góp phần vào sự tiến bộ trong thiên văn học bằng cách cải thiện độ chính xác của các quan sát và phép đo. Chúng được sử dụng trong kính thiên văn vô tuyến và các thiết bị thiên văn khác để đạt được sự đồng bộ hóa và tính thời gian chính xác.

Đo lường : Khoa học đo lường, đo lường, đã được hưởng lợi từ sự phát triển của đồng hồ nguyên tử. Chúng cung cấp một tham chiếu cực kỳ ổn định để hiệu chuẩn các đồng hồ và thiết bị đo thời gian khác, dẫn đến các phép đo chính xác và nhất quán hơn trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghiệp.

Những phát triển trong tương lai cho đồng hồ nguyên tử

Các nghiên cứu và phát triển đang diễn ra trong các lĩnh vực này hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu suất của đồng hồ nguyên tử và mở rộng ứng dụng của chúng trên nhiều lĩnh vực khác nhau, thúc đẩy sự đổi mới và tiến bộ công nghệ.

Đồng hồ lưới quang học: Đồng hồ lưới quang học, bẫy các nguyên tử trong lưới ánh sáng laser, được kỳ vọng sẽ đạt được độ chính xác và độ ổn định cao hơn nữa.

Đồng hồ logic lượng tử: Đồng hồ logic lượng tử sử dụng sự liên kết lượng tử và các hiện tượng lượng tử khác để đo thời gian với độ chính xác chưa từng có.

Đồng hồ nguyên tử trên không gian: Các sáng kiến ​​mới, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử không gian sâu của NASA, nhằm mục đích cải thiện khả năng điều hướng và thám hiểm không gian sâu bằng cách cung cấp thời gian chính xác ở xa Trái đất.

Tiêu chuẩn tần số được cải thiện: Với những tiến bộ trong đồng hồ nguyên tử, có khả năng định nghĩa lại giây dựa trên chuyển đổi quang học thay vì tiêu chuẩn cesium hiện tại.

Đo thời gian phân tán và kết nối mạng: Những phát triển trong tương lai có thể tập trung vào đồng hồ nguyên tử kết nối mạng để đo thời gian đồng bộ trong khoảng cách xa, có thể mang lại lợi ích cho các thí nghiệm khoa học và hệ thống truyền thông toàn cầu.

Đồng hồ nguyên tử là nền tảng của công nghệ và khoa học hiện đại, cung cấp khả năng đo thời gian chính xác cần thiết cho nhiều ứng dụng tiên tiến. Đồng hồ nguyên tử đã cách mạng hóa cách chúng ta đo thời gian, nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của việc đo thời gian và cho phép nhiều tiến bộ công nghệ và khám phá khoa học.