Hệ thống đo thời gian hiện đại bắt đầu với nguyên tử cesium-133. Khi được kích thích bằng tần số vi sóng phù hợp, nguyên tử cesium sẽ chuyển đổi giữa các mức năng lượng và phát ra một xung. Quá trình này lặp lại chính xác 9.192.631.770 lần, và con số này chính là định nghĩa của một giây.
Đây là lúc đồng hồ nguyên tử phát huy vai trò then chốt. Chúng phát ra sóng vi ba trong môi trường chân không, theo dõi thời điểm các nguyên tử cesium cộng hưởng, sau đó khóa chặt tần số này.
Khi sự cộng hưởng được khóa, hệ thống sẽ đếm từng chu kỳ và duy trì sự căn chỉnh. Đây chính là cơ sở thời gian mà điện thoại của bạn hiển thị. Dù được lọc qua nhiều lớp hạ tầng, tham chiếu gốc vẫn không thay đổi.
Nếu thiếu hệ thống này, GPS sẽ sụp đổ, mạng lưới tài chính sẽ mất đồng bộ, và các hệ thống liên lạc sẽ bị trễ và trôi dạt. Điều này khẳng định rằng việc đo thời gian không chỉ là hình thức, mà thực sự là yếu tố giữ cho mọi thứ vận hành trật tự.
Thời gian: Một mục tiêu di động
Điều thú vị về việc đo thời gian là quá trình này không ngừng phát triển. Hàng chục phòng thí nghiệm trên khắp thế giới đang vận hành các đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao, mỗi phòng đều đóng góp dữ liệu vào một hệ thống chung.
Tuy nhiên, không phải tất cả đều hoàn toàn đồng bộ, và điều này không cần thiết. Thay vào đó, hệ thống sẽ so sánh các số liệu đo được, tính đến độ lệch và giữ cho giá trị trung bình ổn định.
Giá trị trung bình đó trở thành Giờ Phối hợp Quốc tế (UTC) và được cập nhật liên tục, không có một đồng hồ chính duy nhất.
Mỹ, Đức, Nhật Bản và các quốc gia khác đóng góp dữ liệu của họ, và tín hiệu kết hợp sau đó được truyền đi khắp hành tinh qua vệ tinh, cáp quang, radio...
Mục tiêu không phải là đạt được sự đo đếm hoàn hảo ở cấp độ độc lập, mà là đạt được sự đồng thuận có thể tồn tại dưới sự giám sát chặt chẽ. Hệ thống này không chỉ được vận hành bởi các nhà vật lý mà còn bởi một mạng lưới các kỹ sư, kỹ thuật viên viễn thông và nhiều chuyên gia khác.
Mỗi khi màn hình điện thoại hiển thị giờ, thiết bị sẽ lấy thông tin từ một bộ dao động tinh thể ẩn bên trong, hoạt động với một nhịp độ cố định. Tần số của bộ dao động này có thể thay đổi theo nhiệt độ, điện áp hoặc tuổi thọ.
Nếu thiết bị không được cắm điện hoặc ngoại tuyến đủ lâu, nó sẽ bắt đầu lệch so với thời gian thực. Ngay cả vài giây chậm trễ cũng có thể làm gián đoạn các tin nhắn được mã hóa hoặc giao dịch tự động. Đó là lý do tại sao các thiết bị hiện đại tự đồng bộ hóa thường xuyên: bởi vì sự sai lệch trong một ngày có thể phá vỡ các hệ thống tốc độ cao.
Tương lai của thời gian không phải là giây
Tóm lại, việc đo thời gian luôn hướng đến việc kiểm soát chính xác, đầu tiên là dựa trên mặt trời, sau đó là trên máy móc, và giờ là trên nguyên tử.
Nhưng nghiên cứu ngày nay còn tiến xa hơn nữa. Có những đồng hồ mạng quang học mới được chế tạo xung quanh các nguyên tử như stronti hoặc ytterbi, với tốc độ tích tắc nhanh hơn 100.000 lần so với cesium. Chúng đủ chính xác để phát hiện sự thay đổi trọng lực giữa đầu và chân bạn.
Độ phân giải đó chính là chìa khóa để mở khóa các hệ thống định vị thế hệ tiếp theo, có thể sánh ngang với Google Maps, đồng bộ hóa quỹ đạo Trái Đất thấp và giám sát Trái Đất theo thời gian thực.
Thời gian giờ đây có thể phát hiện các dịch chuyển kiến tạo, thay đổi mực nước biển, và thậm chí dự đoán hoạt động núi lửa, chỉ bằng cách quan sát cách nó chảy khác nhau dưới áp lực.
Chúng ta cũng đang chứng kiến thời gian được sử dụng để ổn định máy tính lượng tử, xác thực các sự kiện công nghệ chuỗi khối (blockchain) và tinh chỉnh các kính viễn vọng vô tuyến quét bầu trời.
Trong những môi trường này, ngay cả một nano giây trôi dạt cũng là một thất bại hoàn toàn, và đó là lúc độ chính xác chuyển từ một điều kỳ lạ trong kỹ thuật thành một yêu cầu khó khăn.
Bạn sẽ không tìm thấy chúng trong điện thoại hay đồng hồ đeo tay của mình, chúng mang tính thử nghiệm, tinh tế và ẩn mình khỏi tầm nhìn, nhưng chúng đã và đang biến đổi nền tảng của công nghệ hiện đại.
