NASA thử nghiệm đồng hồ nguyên tử mới

Khi nói đến kỹ thuật không gian, thông thường hầu hết mọi người chỉ nghĩ đến hỏa tiễn, hệ thống điều khiển phi thuyền, các tấm bảng thu năng lượng ánh sáng mặt trời,...

Sơ đồ một ống chân không, bộ phận chính của chiếc đồng hồ điện tử mà NASA sắp thử nghiệm trên không gian. (Hình: NASA)

Nhưng một trong những phương tiện vô cùng quan trọng của việc du hành trong vũ trụ - cho người cũng như cho các tàu thám sát tự động - là thiết bị để tính thời gian một cách hết sức chính xác, được quen gọi là “đồng hồ nguyên tử.”

Khác với đồng hồ cổ điển vận hành bằng cơ năng hay điện năng, đồng hồ nguyên tử dùng dao động điện từ của nguyên tử làm chuẩn cho sự đo lường thời gian. Tần số dao động của nguyên tử bất biến nên đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ chính xác nhất cho đến nay.

Các vệ tinh và phi thuyền không gian đòi hỏi tín hiệu thời gian chính xác để những dụng cụ khoa học có thể hoạt động. Ðối với các vệ tinh GPS (hệ định vị toàn cầu), thời gian chính xác là yếu tố căn bản, nếu không tất cả việc di chuyển dựa theo tín hiệu GPS có thể sai lệch hết,

Từ trước đến nay đã có nhiều kiểu đồng hồ nguyên tử, sử dụng kỹ thuật ngày càng tiến bộ để đạt tới mức chuẩn xác cao hơn. Những cơ quan quốc gia giữ một mức chính xác về thời gian là 10 lũy thừa -9 giây mỗi ngày (1 phần tỷ của một giây) và sự chính xác được điều chỉnh bằng laser phát qua sóng radio.

Những đồng hồ gọi là nguyên tử (atomic clock) mà ta có thể mua với giá chỉ vài chục dollars bán ở các tiệm hoặc chợ Sam's Club, Costco, Walmart,... hầu hết chỉ là những đồng hồ chạy bằng điện bình thường nhưng thời gian luôn luôn được điều chỉnh bằng cách nhận tín hiệu của đài phát tuyến tại Utah.

Từ xa xưa, thời gian được tính theo chuyển động xoay tròn 24 giờ một vòng mỗi ngày của Trái Ðất, không đủ mức chính xác, nhưng khi ấy không cần tới như vậy. Tiếp theo người ta căn cứ trên sự quan sát thiên văn về chuyển động của những thiên thể trong vũ trụ, nhưng cũng chưa đủ tiêu chuẩn cố định. Ý kiến dùng trạng thái dao động của nguyên tử được Lord Calvin đề xuất năm 1879 và tới thế kỷ 20 các khoa học gia tìm ra phương pháp ứng dụng.

Chiếc đồng hồ nguyên tử chính xác đầu tiên do Louis Essen thực hiện năm 1955 tại phòng thí nghiệm vật lý quốc gia ở Anh, dựa trên chu kỳ bức xạ của nguyên tử đồng vị caesium (Cs133). Trong một giây đồng hồ nguyên tử Cs133 chuyển đổi giữa hai trạng thái năng lương 9,192,631,770 lần. Máy cộng hưởng vi ba có khả năng tự điều chỉnh tần số và so sánh với tần số bức xạ nguyên tử, khi hai giá trị này bằng nhau máy dò sẽ nhận được một tín hiệu cực đại (cộng hưởng), 9,192,631,770 tín hiệu cho ra một giây.

Những nghiên cứu và tiến bộ tiếp theo đưa ra những phương pháp sử dụng nguyên tử rubidium, hydrogen hay các nguyên tố khác. Ðồng hồ nguyên tử dùng ống rubidium rẻ tiền, giá chỉ khoảng $50 và bền được 10 năm. Gần đây tới những đồng hồ nguyên tử dùng laser, ion, quantum (lượng tử). và đạt độ chính xác ngày càng cao hơn.

Cơ quan Jet Propulsion Laboratory thuộc NASA ở Pasadena, California, đang thử nghiệm một kiểu đồng hồ nguyên tử mới, dùng cho các vệ tinh và phi thuyền, gọi tên là Deep Space Atomic Clock ( DSAP), nhỏ, nhẹ ứng dụng kỹ thuật ion thủy ngân. Ðặc điểm của đồng hồ này là chính xác gấp 10 lần những đồng hồ nguyên tử chính xác nhất hiện nay. Sử dụng tín hiệu GPS, đồng hồ này sẽ xác định quỹ đạo một cách chính xác cho phi thuyền thám sát Iridium. Ðồng thời DSAP cũng sẽ cải thiện sự ổn định thời gian cho hệ định vị GPS tương lai gấp 100 lần bây giờ.

Theo NASA, một phi thuyền mang DSAC sẽ không cần đến liên lạc vô tuyến hai chiều trong việc chuyển những dữ kiện khoa học về Trái Ðất và như thế giảm bớt rất nhiều phí tổn. Trước đây, từ năm 2005 cơ quan không gian Âu Châu đã dùng đồng hồ nguyên tử rubidium để thành lập hệ định vị Galileo, tương tự như GPS của Hoa Kỳ, và những thử nghiệm cho thấy kết quả khả quan.

Các kỹ thuật phức tạp như vậy thật ra rất gần gũi với nhiều sinh hoạt của con người trên thế giới ngày nay nhưng chúng ta không biết hay không chú ý đến. Nếu trực tiếp nói riêng về sự tính toán thời gian, từ chiếc đồng hồ dùng trong nhà cho đến đồng hồ trên các máy điện toán hay điện thoại di động, tất cả đều căn cứ trên một tiêu chuẩn rất chính xác của đồng hồ nguyên tử. Nhưng còn nhu cầu sử dụng, chuyện người ta có tuân thủ đúng thời gian hay không thì lại là một vấn đề khác, chẳng hạn những cuộc họp, tổ chức đám cưới trong cộng đồng người Việt, sớm muộn vài giờ là bình thường, đâu cần gì phải quan tâm tới mức chính xác từng giây hay phần triệu, phần tỷ của một giây. (HC)

Hà Tường Cát/Người Việt