Một giây dài bao nhiêu?

Năm 1967, các nhà nghiên cứu từ khắp nơi trên thế giới đã tập hợp để trả lời một câu hỏi khoa học kéo dài - Bao lâu là một giây? Nó có vẻ rõ ràng lúc đầu tại thời điểm đó. Một giây là tích tắc của đồng hồ, dao động của con lắc, thời gian cần đếm đến một. Nhưng các phép đo đó chính xác đến mức nào? Độ dài đó dựa trên điều gì? Và làm thế nào chúng ta có thể định nghĩa một cách khoa học đơn vị thời gian cơ bản này? Đối với hầu hết lịch sử loài người, các nền văn minh cổ đại đã đo thời gian bằng lịch độc đáo mà đã theo dõi sự trôi qua đều đặn của bầu trời đêm. Trên thực tế,  như chúng ta biết, nó đã không được giới thiệu cho đến cuối những năm 1500, khi lịch Gregorian bắt đầu phổ biến trên toàn cầu bên cạnh chủ nghĩa thực dân Anh. Lịch Gregory đã xác định một ngày là một vòng quay của Trái đất xung quanh trục của nó. Mỗi ngày có thể được chia thành 24 giờ, mỗi giờ thành 60 phút, và mỗi phút thành 60 giây. Tuy nhiên, khi nó được định nghĩa lần đầu tiên, giây mang một ý tưởng toán học hơn là một đơn vị thời gian hữu ích. Việc đo ngày và giờ lúc ấy chỉ được dùng cho hầu hết các nhiệm vụ trong các cộng đồng chăn nuôi gia súc, không dùng cho các mục đích khác. Mãi cho đến khi xã hội bắt đầu liên kết với nhau thông qua các tuyến đường sắt di chuyển nhanh mà các thành phố cần thống nhất về việc tính giờ chính xác. Vào những năm 1950, nhiều hệ thống toàn cầu yêu cầu mỗi giây được tính toán một cách hoàn hảo, với độ chính xác cao nhất có thể.

Và điều gì có thể chính xác hơn quy mô nguyên tử?

Ngay từ năm 1955, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu phát triển đồng hồ nguyên tử, dựa trên các định luật vật lý không thay đổi để thiết lập một nền tảng mới cho việc tính giờ. Một nguyên tử bao gồm các electron mang điện tích âm quay quanh một hạt nhân mang điện tích dương với tần số nhất định. Các định luật của cơ học lượng tử giữ các electron này ở một nơi nhất định nhưng nếu bạn cho một nguyên tử tiếp xúc với trường điện từ chẳng hạn như ánh sáng hoặc sóng vô tuyến, bạn có thể làm xáo trộn một chút hướng của electron. Và nếu bạn chỉnh sửa một điện tử ở tần số phù hợp, bạn có thể tạo ra một rung động giống như một con lắc tích tắc. Không giống như các con lắc thông thường nhanh chóng mất năng lượng, các electron có thể tích tắc trong nhiều thế kỷ. Để duy trì tính nhất quán và giúp đo lượng tích tắc dễ dàng hơn, các nhà nghiên cứu làm bốc hơi các nguyên tử, chuyển đổi chúng sang trạng thái ít tương tác và khó bay hơi. Nhưng quá trình này không làm chậm quá trình tích tắc nhanh đáng kể của nguyên tử. Một số nguyên tử có thể dao động trên chín tỷ lần mỗi giây, hai nhà nghiên cứu sử dụng cùng một nguyên tố và cùng một sóng điện từ chắc chắn sẽ tạo ra những chiếc đồng hồ hoàn toàn nhất quán. Nhưng trước khi việc tính toán giờ có thể chuyển sang dạng nguyên tử hoàn toàn, các quốc gia đã phải quyết định nguyên tử nào sẽ hoạt động tốt nhất. Đây là cuộc thảo luận năm 1967, tại Đại hội lần thứ mười ba của Ủy ban Quốc tế về Cân nặng và Đo lường. Có 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn, mỗi nguyên tố có các thuộc tính độc đáo của riêng chúng. Đối với nhiệm vụ này, các nhà nghiên cứu đã điều tra một số điều. Nguyên tố cần tồn tại lâu dài và dao động điện tử tần số cao để đo giờ chính xác, lâu dài. Để dễ dàng theo dõi dao động này, nó cũng cần có sự quay lượng tử có thể đo lường được và đáng tin cậy—nghĩa là hướng của trục mà electron quay—nghĩa là các electron hoạt động rất ít và trạng thái của chúng rất đơn giản để xác định. Cuối cùng, nó cần phải dễ bay hơi.

Nguyên tử nào sẽ chiến thắng đây? Đó là Cesium-133.

Cesium đã là một nguyên tố phổ biến cho các nghiên cứu đồng hồ nguyên tử, và đến năm 1968, một số đồng hồ cesium thậm chí còn được bán trên thị trường. Tất cả những gì còn lại là định nghĩa có bao nhiêu tích tắc trong một giây của một nguyên tử Cs.

Hội nghị đã sử dụng phép đo giây mang tính thiên văn chính xác nhất có sẵn tại thời điểm đó — bắt đầu bằng số ngày trong năm và chia nhỏ. Khi so sánh với tốc độ tích tắc của nguyên tử, kết quả chính thức được xác định trong một giây chính xác là 9.192.631.770 tích tắc của một nguyên tử Cs-133.

Ngày nay, đồng hồ nguyên tử được sử dụng trên khắp Trái đất— và xa hơn thế nữa. Từ máy phát tín hiệu vô tuyến đến vệ tinh cho các hệ thống định vị toàn cầu, những thiết bị này đã được đồng bộ hóa để giúp chúng ta duy trì thời gian nhất quán trên toàn cầu—với độ chính xác không ai sánh kịp.