Đo Lường Cái Không Thể Đo Lường
Thời gian là nguồn tài nguyên duy nhất mà mọi nền văn minh đều cố gắng nắm bắt, và trong phần lớn lịch sử loài người, nỗ lực đó lại thiếu chính xác một cách đáng ngạc nhiên. Một người nông dân cần biết mùa vụ, một vị tư tế cần biết giờ hành lễ, một thủy thủ cần biết thời điểm thủy triều lên. Thế nhưng, những công cụ có sẵn để trả lời các câu hỏi đó trải dài từ một cái bóng trên mặt đất đến một bình nước nhỏ giọt. Câu chuyện về đo lường thời gian là câu chuyện về nhân loại từ từ chế ngự một khái niệm trừu tượng khó nắm bắt thành những con số ngày càng tinh vi, chuyển từ những thiết bị chính xác đến từng giờ sang những chiếc đồng hồ không hề sai một giây nào trong suốt vòng đời của vũ trụ.
Sau đây là một lịch sử ngắn về hành trình đó, từ đồng hồ mặt trời của Ai Cập cổ đại đến những chiếc đồng hồ mạng tinh thể quang học đang rung động trong các phòng thí nghiệm ngày nay.
Bóng Râm và Ánh Sáng Mặt Trời: Những Chiếc Đồng Hồ Đầu Tiên
Những người giữ thời gian sớm nhất nhìn lên bầu trời thay vì nhìn xuống đất. Khi mặt trời di chuyển ngang bầu trời, cái bóng của nó quét qua mặt đất theo một vòng cung có thể dự đoán được, và bất kỳ vật thể cao nào cũng có thể đóng vai trò là kim chỉ. Người Ai Cập cổ đại đã dựng những cột đá obelisk cao chót vót từ khoảng năm 3500 TCN, và những cái bóng di chuyển của chúng chia ánh sáng ban ngày thành các phần có thể nhận biết được. Đến khoảng năm 1500 TCN, người Ai Cập đã sử dụng đồng hồ bóng di động — một thanh ngang với một thanh chéo nhô lên tạo bóng dọc theo một thang đo được đánh dấu.
Những thiết bị này phát triển thành đồng hồ mặt trời, được người Hy Lạp và La Mã hoàn thiện bằng cách hiểu rằng vật tạo bóng, hay gnomon, phải được đặt nghiêng về phía cực thiên thể để giữ cho các giờ nhất quán trong suốt cả năm. Đồng hồ mặt trời rất thanh lịch và không cần bảo trì, nhưng chúng có hai nhược điểm rõ ràng: vô dụng vào ban đêm và bất lực khi trời nhiều mây. Hóa ra, thời gian không thể phụ thuộc vào thời tiết.
Nước Đo Thời Gian
Giải pháp là đo một thứ đáng tin cậy hơn ánh sáng mặt trời: dòng nước chảy đều đặn. Đồng hồ nước, hay clepsydra (tiếng Hy Lạp có nghĩa là "kẻ trộm nước"), lần đầu tiên xuất hiện ở Ai Cập dưới triều đại của Amenhotep III vào thế kỷ 14 TCN. Ở dạng đơn giản nhất, nước nhỏ giọt với tốc độ gần như không đổi từ một bình có vạch chia, và mực nước hạ xuống cho biết số giờ trôi qua.
Các nền văn hóa khác nhau đã phát triển ý tưởng này theo những hướng khác nhau. Ở Hy Lạp, các kỹ sư đã thêm phao, bánh răng và mặt số, và clepsydra trở thành một vật dụng cố định trong các tòa án, nơi nó được dùng để tính giờ cho các bài phát biểu của các nhà hùng biện. Ở Trung Quốc, công nghệ này đã đạt đến những tầm cao đáng kể. Năm 1088 CN, nhà bác học Tô Tụng đã hoàn thành một tháp đồng hồ thiên văn chạy bằng nước cao hơn mười mét, kết hợp một cơ cấu thoát (escapement) giải phóng nước thành từng nhịp đo được để quay các bộ phận — được coi là tổ tiên khái niệm của những chiếc đồng hồ cơ khí sau này.
Đồng hồ nước đã giải phóng việc đo thời gian khỏi mặt trời, cho phép đếm giờ suốt đêm và trong mọi thời tiết. Nhưng nước đóng băng, bay hơi và chảy nhanh hơn khi bình đầy so với khi gần cạn. Độ chính xác vẫn ngoài tầm với một cách ngoan cố.
Cuộc Cách Mạng Cơ Khí
Bước đột phá quyết định đến từ châu Âu thời trung cổ. Vào khoảng cuối thế kỷ 13, một người thợ thủ công vô danh — phát minh này không có một người phát minh duy nhất nào được ghi nhận — đã nghĩ ra bộ thoát kiểu trục đứng (verge escapement), và cùng với nó, chiếc đồng hồ cơ khí ra đời.
Nguyên lý này rất tài tình. Một quả nặng rơi xuống cung cấp năng lượng ổn định, nhưng mấu chốt là giải phóng năng lượng đó theo từng bước tăng dần có kiểm soát thay vì để nó chạy hết một lúc. Bộ thoát kiểu trục đứng sử dụng một thanh ngang (foliot) với các quả nặng ở mỗi đầu đung đưa qua lại, ăn khớp và nhả một bánh xe có răng trong mỗi lần đung đưa. Mỗi dao động cho phép bộ truyền bánh răng tiến lên một bước duy nhất, được đo lường. Tiếng tích tắc này — dấu hiệu âm thanh đặc trưng của bộ thoát — được cho là âm thanh xác định của nền văn minh cơ khí.
Những chiếc đồng hồ ban đầu này, được lắp đặt trong các tháp nhà thờ và thị trấn khắp thế kỷ 14, còn thô sơ theo tiêu chuẩn hiện đại, thường sai lệch tới mười lăm phút hoặc hơn mỗi ngày. Chúng thường không có mặt số, chỉ tồn tại để đánh chuông (từ clock trong tiếng Anh bắt nguồn từ tiếng Latin clocca, nghĩa là chuông). Tuy nhiên, chúng đại diện cho một điều sâu sắc: lần đầu tiên, một cỗ máy đo thời gian bằng chuyển động nội tại của chính nó, hoàn toàn độc lập với mặt trời, nước hay mùa vụ.
Huygens và Con Lắc
Trong gần bốn thế kỷ, đồng hồ cơ khí vẫn thiếu chính xác một cách khó chịu, bởi vì foliot không có nhịp điệu tự nhiên của riêng nó — nó đung đưa nhanh hay chậm tùy thuộc vào cơ chế đẩy nó. Bước đột phá đến vào năm 1656, khi nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens chế tạo chiếc đồng hồ quả lắc thực tế đầu tiên.
Huygens dựa trên quan sát trước đó của Galileo rằng một con lắc có chiều dài nhất định đung đưa với chu kỳ đáng kể không đổi bất kể biên độ đung đưa rộng hay hẹp. Bằng cách khai thác tính đều đặn tự nhiên đó làm yếu tố giữ thời gian cho đồng hồ, Huygens đã biến đổi lĩnh vực này gần như chỉ sau một đêm. Trong khi những chiếc đồng hồ cơ khí tốt nhất đã sai nhiều phút mỗi ngày, đồng hồ quả lắc của ông nhanh chóng đạt độ chính xác trong khoảng mười lăm giây — và những cải tiến sau đó đã đẩy sai số xuống dưới một giây mỗi ngày.
Bước nhảy vọt thật đáng kinh ngạc: cải thiện độ chính xác gấp khoảng một trăm lần chỉ trong một lần. Đồng hồ quả lắc sẽ vẫn là những thiết bị giữ thời gian chính xác nhất thế giới trong 270 năm tiếp theo, đứng trong các đài thiên văn và xác định thời gian chính thức của các quốc gia.
Vấn Đề Kinh Độ
Đồng hồ chính xác không chỉ là một sự tò mò khoa học; chúng nắm giữ chìa khóa cho một trong những thách thức thực tế lớn của thời đại — xác định vị trí trên biển. Vĩ độ của một con tàu có thể được đọc từ độ cao của mặt trời hoặc các ngôi sao, nhưng kinh độ lại không có giải pháp dễ dàng như vậy. Bởi vì Trái Đất quay 15 độ kinh độ mỗi giờ, một thủy thủ biết thời gian chính xác tại một điểm tham chiếu cố định và so sánh nó với buổi trưa địa phương trên tàu có thể tính toán được họ đã đi được bao xa về phía đông hay phía tây. Vấn đề là không có chiếc đồng hồ nào có thể giữ thời gian chính xác trên một con tàu chòng chành, nhiệt độ thay đổi, và đầy nước biển bắn tung tóe. Con lắc vô dụng trên một boong tàu lắc lư.
Cổ phần rất cao. Tàu bị mắc cạn và tài sản chìm xuống vì thiếu câu trả lời, và vào năm 1714, Quốc hội Anh đã treo một giải thưởng lớn cho một giải pháp đáng tin cậy. Hãy đến với John Harrison, một người thợ mộc kiêm thợ đồng hồ tự học đến từ Yorkshire, người đã dành cả cuộc đời mình cho vấn đề này. Trong nhiều thập kỷ, ông đã chế tạo một loạt các máy đo thời gian hàng hải (marine chronometer), đỉnh cao là kiệt tác của ông, H4, hoàn thành vào năm 1759. Nhỏ gọn và lấp lánh như ngọc, nó sử dụng một bánh xe cân bằng đập nhanh, miễn nhiễm với chuyển động của tàu. Trong một chuyến đi đến Jamaica năm 1761, H4 chỉ mất khoảng năm giây sau 81 ngày — một độ chính xác dường như kỳ diệu. Harrison đã giải quyết vấn đề kinh độ và nhờ đó, làm cho việc điều hướng toàn cầu đáng tin cậy của các thế kỷ sau đó trở nên khả thi.
Thạch Anh: Thời Gian Không Có Bánh Răng
Cuộc cách mạng tiếp theo đã loại bỏ hoàn toàn chuyển động cơ học. Năm 1927, các kỹ sư Warren Marrison và J. W. Horton tại Phòng thí nghiệm Điện thoại Bell đã chế tạo chiếc đồng hồ thạch anh đầu tiên. Khi một dòng điện được đặt vào một tinh thể thạch anh, nó rung động ở một tần số cực kỳ ổn định — một tính chất gọi là áp điện. Bằng cách đếm các rung động đó bằng điện tử, một chiếc đồng hồ có thể giữ thời gian mà không cần con lắc đung đưa và không có bộ thoát nào bị mài mòn.
Đồng hồ thạch anh nhanh chóng vượt qua các thiết bị quả lắc tốt nhất, và đến giữa thế kỷ 20, chúng đã trở thành tiêu chuẩn phòng thí nghiệm mới. Tuy nhiên, chiến thắng thực sự của chúng là sự thu nhỏ. Đến những năm 1970, bộ máy thạch anh đã trở nên rẻ và đủ nhỏ để lắp vừa trong một chiếc đồng hồ đeo tay, đặt khả năng đo thời gian chính xác hơn bất kỳ chiếc đồng hồ đài thiên văn thế kỷ 19 nào lên cổ tay của những người bình thường. Chiếc đồng hồ thạch anh trên cổ tay bạn ngày nay là hậu duệ trực tiếp của bước đột phá năm 1927 đó.
Kỷ Nguyên Nguyên Tử
Ngay cả thạch anh cũng có giới hạn, vì các tinh thể thay đổi nhẹ theo nhiệt độ và thời gian. Chuẩn mực cuối cùng phải đến từ chính tự nhiên — từ hành vi bất biến của các nguyên tử. Năm 1955, Louis Essen và Jack Parry tại Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Vương quốc Anh đã chế tạo chiếc đồng hồ nguyên tử xêzi chính xác đầu tiên. Nó đo thời gian bằng tần số cộng hưởng của các nguyên tử xêzi-133, chúng hấp thụ và phát xạ bức xạ vi sóng ở một tần số nhất quán đến mức về cơ bản nó được cố định bởi các định luật vật lý.
Đồng hồ nguyên tử tốt hơn rất nhiều so với bất cứ thứ gì trước nó đến nỗi nó buộc phải định nghĩa lại chính thời gian. Trong nhiều thiên niên kỷ, giây được định nghĩa bằng chuyển động quay của Trái Đất — một phần nhỏ của một ngày. Nhưng Trái Đất là một người giữ thời gian chao đảo và chậm dần. Vì vậy, vào năm 1967, cộng đồng quốc tế đã chính thức định nghĩa lại giây SI chính xác là 9.192.631.770 dao động của bức xạ từ một nguyên tử xêzi-133. Lần đầu tiên, đơn vị thời gian cơ bản được tách rời khỏi các thiên thể và neo chặt vào nguyên tử.
Độ chính xác của thời gian nguyên tử sớm đã định hình lại các đơn vị khác. Năm 1983, mét được định nghĩa lại là quãng đường ánh sáng đi được trong chân không trong 1/299.792.458 giây. Bởi vì tốc độ ánh sáng hiện được coi là một hằng số cố định của tự nhiên, khoảng cách tự nó được định nghĩa theo thời gian. Hằng số đó thực sự rất lớn — ánh sáng bao phủ khoảng 1,08 tỷ km/h (Vận tốc ánh sáng trong chân không thành kilômét/giờ) hay khoảng 671 triệu dặm/giờ (Vận tốc ánh sáng trong chân không thành dặm/giờ) — đó là lý do tại sao một phần nhỏ của một giây là đủ để trải dài cả một mét và xa hơn nữa.
Tương Lai: Đồng Hồ Cho Kỷ Nguyên Của Vũ Trụ
Đo lường thời gian không dừng lại với xêzi. Biên giới ngày nay thuộc về đồng hồ mạng tinh thể quang học, chúng bẫy hàng nghìn nguyên tử — thường là stronti hay ytterbi — trong một mạng lưới ánh sáng laser và đọc các dao động của chúng ở tần số quang học thay vì vi sóng. Bởi vì chúng tích tắc nhanh hơn hàng trăm nghìn lần so với xêzi, chúng có thể được đo với độ chính xác đáng kinh ngạc.
Những chiếc đồng hồ tốt nhất trong số này ổn định đến mức chúng sẽ không nhanh cũng không chậm một giây nào trong hàng tỷ năm — lâu hơn tuổi hiện tại của vũ trụ. Độ chính xác như vậy không phải là sự phô trương vô ích. Nó đủ chính xác để phát hiện sự chậm lại nhỏ của thời gian được Einstein dự đoán khi một chiếc đồng hồ được nâng lên chỉ vài centimet cao hơn trong trường hấp dẫn của Trái Đất, mở ra cánh cửa sử dụng đồng hồ như cảm biến cho địa chất, điều hướng và vật lý cơ bản. Một định nghĩa lại giây trong tương lai, dựa trên sự chuyển đổi quang học thay vì xêzi, được nhiều người mong đợi trong những năm tới.
Từ Cái Bóng Đến Múi Giờ
Từ cái bóng của một cột đá obelisk đến một mạng lưới các nguyên tử bị bẫy, vòng cung của việc đo lường thời gian đã không ngừng hướng tới độ chính xác. Mỗi bước nhảy vọt — bộ thoát, con lắc, máy đo thời gian hàng hải, thạch anh, nguyên tử — đã đưa thế giới vào sự đồng bộ chặt chẽ hơn. Độ chính xác đó là giàn giáo vô hình bên dưới cuộc sống hiện đại: nó phối hợp các vệ tinh, đóng dấu thời gian cho các giao dịch tài chính và giữ cho internet đồng bộ trên khắp các lục địa.
Nó cũng là nền tảng cho một thứ bạn sử dụng hàng ngày. Các Múi giờ được sắp xếp gọn gàng cho phép bạn lên lịch một cuộc gọi xuyên toàn cầu hay bắt một chuyến bay ở phía bên kia thế giới chỉ có thể thực hiện được vì tất cả chúng ta đều có thể đồng ý, đến từng phần nhỏ của giây, về thời gian thực sự là bao nhiêu.
Các Câu Hỏi Thường Gặp
Thiết bị đầu tiên được sử dụng để xem giờ là gì?
Những người giữ thời gian sớm nhất dựa trên bóng râm. Các cột đá obelisk của Ai Cập cổ đại, được dựng lên từ khoảng năm 3500 TCN, tạo ra những cái bóng di chuyển để phân chia ban ngày, và đến khoảng năm 1500 TCN, người Ai Cập đã sử dụng đồng hồ bóng di động. Chúng phát triển thành đồng hồ mặt trời, được người Hy Lạp và La Mã hoàn thiện. Hạn chế của chúng rất rõ ràng: chúng chỉ hoạt động vào ban ngày và khi trời quang.
Ai đã phát minh ra đồng hồ quả lắc?
Nhà khoa học người Hà Lan Christiaan Huygens đã chế tạo chiếc đồng hồ quả lắc thực tế đầu tiên vào năm 1656, dựa trên quan sát của Galileo rằng một con lắc đung đưa với chu kỳ không đổi. Nó cải thiện độ chính xác khoảng một trăm lần, từ sai số nhiều phút mỗi ngày xuống còn vài giây, và đồng hồ quả lắc vẫn là thiết bị giữ thời gian chính xác nhất thế giới trong hơn 250 năm.
Đồng hồ đã giúp các thủy thủ tìm vị trí của họ như thế nào?
Bởi vì Trái Đất quay 15 độ kinh độ mỗi giờ, một thủy thủ biết thời gian chính xác tại một điểm tham chiếu cố định có thể so sánh nó với buổi trưa địa phương trên tàu để tính toán kinh độ. Máy đo thời gian hàng hải H4 của John Harrison, hoàn thành năm 1759, đã giữ thời gian đủ chính xác trên biển để giải quyết "vấn đề kinh độ" này, chỉ mất khoảng năm giây trong một chuyến đi kéo dài 81 ngày.
Ngày nay một giây được định nghĩa như thế nào?
Kể từ năm 1967, giây SI được định nghĩa chính xác là 9.192.631.770 dao động của bức xạ phát ra từ một nguyên tử xêzi-133. Điều này thay thế định nghĩa cũ dựa trên chuyển động quay của Trái Đất, vốn quá bất thường. Chiếc đồng hồ nguyên tử xêzi chính xác đầu tiên được chế tạo bởi Louis Essen và Jack Parry vào năm 1955.
Chiếc đồng hồ chính xác nhất từng được chế tạo là gì?
Những chiếc đồng hồ chính xác nhất ngày nay là đồng hồ mạng tinh thể quang học, chúng bẫy các nguyên tử như stronti hoặc ytterbi trong ánh sáng laser và đọc các dao động tần số quang học của chúng. Những chiếc tốt nhất trong số chúng ổn định đến mức không nhanh cũng không chậm một giây nào trong hàng tỷ năm — lâu hơn tuổi của vũ trụ.