Khoa học đằng sau một giây hoàn hảo

Khi tôi còn là một đứa trẻ, trong kỷ nguyên của điện thoại nút bấm ở miền trung tây Hoa Kỳ, tôi thường gọi (mà chẳng cần lý do thực sự nào) cho "quý bà thời gian" - hóa ra là một diễn viên tên Jane Barbe - người sẽ nói vào tai tôi giờ giấc chính xác đến từng giây. Làm sao cô ấy biết được bây giờ là mấy giờ?

Sau 5 thập niên tự hỏi điều gì quyết định thời gian của đồng hồ, tôi đã đến được ngôi đền canh giữ thời gian của nước Mỹ: JILA ở Boulder, Colorado - một viện nghiên cứu do ĐH Colorado và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia (NIST) điều hành.

Giờ giấc chính thức của Mỹ phụ thuộc vào UTC, tức Giờ phối hợp quốc tế - chuẩn quốc tế về ngày giờ kể từ đầu những năm 1960, là tổng hợp thời gian của các đồng hồ nguyên tử được trông nom bởi hơn 80 cơ quan khắp địa cầu. "Phối hợp", vì sẽ quá tốn kém và quá phức tạp về mặt hậu cần nếu ta giữ cho mọi đồng hồ trên thế giới tích tắc như một.

Còn nữa, bọn đồng hồ rồi sẽ âm thầm trật nhịp. Ví dụ, gần đây, JILA đã phải chỉnh giờ sao cho UTC (phiên bản NIST) khớp với UTC ở tháng trước. Có vẻ như công việc của họ thiên về "dự báo thời gian" hơn là "thông báo thời gian". NIST sử dụng thời gian tạm thời hiện tại để đưa ra dự đoán về vị trí của giờ, phút, giây trong tương lai - mà đã là dự báo thì có thể sai.

Đến đây để tìm hiểu nguồn gốc của thời gian, tôi lại nhận ra rằng chính thứ điều khiển nó - giây tiêu chuẩn - vốn không hoàn hảo.

Trong phần lớn thế kỷ 20, một giây dài bằng 1/86.400 một ngày mặt trời trung bình (thời gian trung bình để Trái đất tự quay đúng 1 vòng quanh nó). Nghe có vẻ đơn giản và đáng tin, nhưng cách tính này đang dựa trên một thứ giả tạo, do quỹ đạo nghiêng và hình elip của Trái đất sẽ tạo ra những ngày dài ngắn khác nhau.

Năm 1960, một tiêu chuẩn mới ra đời - giây theo lịch thiên văn - được tính toán dựa trên khoảng thời gian Trái đất quay đúng 1 vòng quanh Mặt trời vào năm 1900. Đó gọi là một "năm chí tuyến", và thật hoang mang (giống như nhiều thứ khác trong địa hạt "thời gian"), nó lại dài hơn 365 ngày một xíu. Giây thiên văn ổn định hơn, nhưng nó có một hạn chế rất lớn: không thể nhìn thấy trong hiện tại. Năm 1967, người ta tuyên bố loại nó khỏi cuộc chơi.

Lúc bấy giờ, thế giới đã có những bước tiến đáng kể về thời gian nguyên tử. Sự rung động không thay đổi - "tần số" của các hạt hydro hoặc natri hứa hẹn sẽ thế chỗ những bầu trời thất thường. Đến năm 1949, chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động. Cũng vào năm 1967, người ta định nghĩa lại một giây, nó bằng "9.192.631.770 dao động của nguyên tử Cesium".

Một giây nguyên tử - hiện đại, siêu chính xác và khó hiểu - đang chi phối cuộc sống của chúng ta ngày nay. Như nhà sử học Peter Galison đã viết trong cuốn Đồng hồ của Einstein, Bản đồ của Poincaré, phải đến thế kỷ 19, kim phút mới trở thành đặc điểm chung của đồng hồ. Thời gian trôi chảy, tùy thuộc vào đặc điểm địa phương; hành khách tại các nhà ga nước Pháp được phục vụ bằng một loạt các hiển thị thời gian khác nhau (giờ địa phương, giờ Paris, giờ tàu hỏa). Nhưng đến cuối thế kỷ 19, tính chính xác được ưu tiên. "Thời gian được đồng bộ hóa đã can thiệp vào cuộc sống của con người như cách mà năng lượng điện, nước thải hoặc khí đốt đã làm - Galison viết - Như thứ chất lỏng tuần hoàn của cuộc sống đô thị hiện đại".

Ở NIST có những chiếc đồng hồ được dự đoán là sẽ không mất đi, cũng không tăng thêm một giây nào trong 300 triệu năm tới. Nhưng ai sẽ cần sự đúng giờ vô hạn này? Quên một phần nghìn giây đi: hầu hết chúng ta thậm chí chẳng phải là "người đúng một giây", theo Judah Levine, nhà vật lý học 82 tuổi của JILA và là một trong những "người canh giữ thời gian" của Mỹ. NIST giao dịch bằng nano giây (một phần tỉ giây), một đơn vị thời gian chỉ có máy móc hiểu nổi và chỉ liên quan đến "người dùng nghiêm túc", như cách Levine gọi họ, như các nhà giao dịch ở Phố Wall, những người trả tới một nghìn đô la mỗi tháng để có bức tranh thời gian chính xác hơn so với công chúng.

Với những người còn lại, một giây có vai trò lớn hơn chúng ta nghĩ. Hãy xem xét GPS: nó không chỉ hỗ trợ mọi dịch vụ thiết yếu hằng ngày của chúng ta - hệ thống định vị trên ô tô, đồng hồ đeo tay Fitbits, điện thoại thông minh - mà nó còn giúp phân phối thời gian tiêu chuẩn trên toàn cầu (hệ thống bao gồm vài chục vệ tinh, mỗi cái lại có thang thời gian riêng). Để GPS hoạt động, nó cần thời gian cực kỳ chính xác: muốn không gian chính xác trong phạm vi 15m thì cần thời gian chính xác ở mức 50 nano giây.

Với giây nguyên tử ưu việt đến thế, người ta có thể cho rằng những chuyên gia như Levine đã đi làm việc khác. Nhưng "một giây" ngày nay vẫn còn hai rắc rối. Đầu tiên là tính liên tục. Bất chấp sự thống trị của thời gian nguyên tử, đồng hồ thiên văn vẫn tồn tại - cái nhanh cái chậm - nên phải làm sao để duy trì cả hai hài hòa. Vấn đề thứ hai, quan trọng hơn, là có một thế hệ mới chính xác hơn khoảng 100 lần: đồng hồ quang học. Nó hoạt động giống như đồng hồ nguyên tử, nhưng dựa trên tần số quang, tức là ánh sáng.

Vì thế, các chuyên gia "đo lường" lại bắt đầu bàn luận về "giây tiêu chuẩn" mới. Levine chia nhỏ các lựa chọn. Một, mọi người đều có chiếc đồng hồ yêu thích của mình và chọn ra một giải nhất, tất cả những cái còn lại là giải nhì. Hai, ta lấy trung bình cộng của tất cả và đó sẽ là cái chiến thắng. Ba, ta không xác định giây tiêu chuẩn dựa trên tần số nữa. Levine thiên về ý đầu tiên.

Có lẽ chúng ta sẽ không có "giây tiêu chuẩn" mới trong thập kỷ này. Chưa có sự đồng thuận cấp quốc tế, đồng hồ quang học vẫn chờ được hoàn thiện. Và đối với nhu cầu hiện tại của nền công nghiệp và xã hội, "một giây" bây giờ vẫn ổn. Nhưng ai mà biết được công nghệ của tương lai sẽ đòi hỏi độ chính xác đến nhường nào…

Lê My lược dịch