Đồng hồ nguyên tử là gì? khác gì với đồng hồ cơ và pin?

Qua những cải tiến không ngừng, đồng hồ đeo tay ngày nay đã vượt xa giới hạn của các kiểu dáng truyền thống như mặt vuông hay mặt tròn, trở thành biểu tượng của công nghệ và phong cách. Trong đó, có thể nhắc đến chính là đồng hồ nguyên tử, một khái niệm đầy bí ẩn và liệu mẫu đồng hồ này có thực sự đáng để các tín đồ thời gian chú ý đến? Không chần chờ nữa, hãy cùng Bệnh Viện Đồng Hồ JSC tìm câu trả lời ngay cho câu hỏi đồng hồ nguyên tử là gì trong bài viết này nhé!

Đồng hồ nguyên tử là gì?

Đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ đo thời gian dựa trên số lượng dao động cố định của nguyên tử, thường là nguyên tử cesium hoặc rubidium. Nhờ tần số dao động ổn định và có thể đo lường chính xác của các nguyên tử này, đồng hồ nguyên tử được xem là công cụ chính xác tuyệt đối trong việc đo lường thời gian, với mức sai số gần như bằng không. Chính nhờ độ chính xác vượt trội này, đồng hồ nguyên tử trở thành tiêu chuẩn quan trọng cho việc chuẩn hóa thời gian quốc tế, vượt xa các loại đồng hồ truyền thống.

Đồng hồ nguyên tử đo lường dựa trên sự dao động của nguyên tử

Lịch sử ra đời và phát triển của đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử không chỉ là một bước tiến vượt bậc trong lịch sử chế tác đồng hồ mà còn là công cụ nền tảng, định hình cho nhiều thành tựu khoa học hiện đại. Từ ý tưởng ban đầu đến những ứng dụng tiên tiến ngày nay, lịch sử phát triển của đồng hồ nguyên tử ghi dấu những mốc thời gian quan trọng như sau:

• 1940s: Các nhà khoa học lần đầu nghiên cứu khả năng sử dụng sự dao động của nguyên tử để đo lường thời gian với độ chính xác cao hơn, bắt đầu bằng nguyên tử cesium.
• 1949: Phòng Thí nghiệm Quốc gia Hoa Kỳ về Tiêu chuẩn và Công nghệ (NIST) cho ra đời nguyên mẫu đồng hồ nguyên tử đầu tiên theo chuyển động của phân tử Amoniac. Mặc dù có độ chính xác cao hơn đồng hồ cơ khí nhưng mẫu này vẫn cần hoàn thiện thêm để đạt chuẩn quốc tế.
• 1955: Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL) chế tạo thành công chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên sử dụng nguyên tử cesium. Đây được coi là bước ngoặt lớn, đặt nền móng cho việc định nghĩa giây chuẩn dựa trên dao động của nguyên tử cesium-133.

Đồng hồ nguyên tử đầu tiên bên trong Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh (NPL)

• 1967: Tại Hội nghị Toàn cầu về Cân đo và Đo lường (CGPM), giây được định nghĩa là khoảng thời gian tương ứng với 9,192,631,770 chu kỳ của bức xạ điện từ phát ra từ nguyên tử cesium-133 khi nó chuyển trạng thái giữa hai mức năng lượng. Điều này đã đưa đồng hồ nguyên tử trở thành tiêu chuẩn đo lường thời gian quốc tế.
• 1990s: Công nghệ đồng hồ nguyên tử bắt đầu sử dụng quang học và các nguyên tử như rubidium và strontium. Sự phát triển này giúp nâng cao độ chính xác và ổn định trong đo lường thời gian, cho phép các đồng hồ đạt độ chính xác đến từng phần nghìn tỷ của một giây. Nhờ vậy, các đồng hồ nguyên tử có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, định vị vệ tinh và nghiên cứu khoa học.
• 2000s: Phát triển thêm các loại đồng hồ nguyên tử quang học mới có khả năng đo chính xác đến từng giây trong hàng triệu đến hàng tỷ năm, áp dụng cho các hệ thống khoa học phức tạp, như hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và viễn thông.
• 2020s: Đồng hồ nguyên tử thế hệ mới tiếp tục đạt độ chính xác cao hơn nhờ vào các nguyên tử và phân tử nặng hơn, giúp mở rộng tiềm năng ứng dụng trong nghiên cứu vật lý thiên văn, thuyết tương đối, và các lĩnh vực khoa học tiên tiến khác.

Nguyên lý hoạt động của đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên hiện tượng kích thích các electron của nguyên tử chuyển động qua lại giữa các mức năng lượng cao và thấp. Khi electron dịch chuyển, chúng phát ra sóng điện từ với tần số cực kỳ ổn định và chu kỳ dao động của sóng này được dùng làm chuẩn để đo lường thời gian.

Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, trong đồng hồ nguyên tử Cesium-133, mỗi giây tương ứng với 9,192,631,770 chu kỳ sóng điện từ do sự chuyển đổi giữa hai trạng thái năng lượng của nguyên tử phát ra. Nói cách khác, chỉ khi nguyên tử Cesium-133 hoàn thành đúng số chu kỳ này thì đồng hồ mới đếm được chính xác một giây.

Trong cấu tạo của đồng hồ nguyên tử, bộ phận cộng hưởng vi sóng đóng vai trò quan trọng trong việc giữ tần số dao động luôn khớp với tần số bức xạ của nguyên tử. Khi có sự chênh lệch, hệ thống này sẽ tự động điều chỉnh để duy trì tần số chính xác, từ đó đảm bảo đồng hồ nguyên tử luôn đo được một giây chuẩn. Điều này giúp đồng hồ nguyên tử đạt độ chính xác cực kỳ cao và được tin dùng trong các hệ thống chuẩn hóa thời gian quốc tế.

Ứng dụng thực tiễn của đồng hồ nguyên tử

Đồng hồ nguyên tử đóng vai trò thiết yếu trong nhiều lĩnh vực quan trọng, từ đời sống hàng ngày đến nghiên cứu khoa học và an ninh quốc phòng, giúp duy trì độ chính xác cao nhất trong việc đo lường thời gian. Cụ thể như sau:

• Hệ thống GPS và điều hướng: Đồng hồ nguyên tử đảm bảo độ chính xác cao trong hệ thống GPS, giúp xác định vị trí chính xác đến từng mili giây. Nhờ ưu điểm này, nó được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như hàng không, hàng hải và điều hướng cá nhân.
• Đồng bộ hóa giờ quốc tế UTC: Đồng hồ nguyên tử cung cấp giờ chuẩn quốc tế UTC và tự động đồng bộ hóa thời gian cho các thiết bị điện tử như điện thoại và máy tính, giúp chúng hoạt động theo giờ địa phương một cách chính xác.

Đồng hồ nguyên tử giúp đồng bộ thời gian

• Nghiên cứu khoa học: Trong vật lý và thiên văn học, đồng hồ nguyên tử cho phép đo lường chính xác các hiện tượng thiên văn, thuyết tương đối và cấu trúc không-thời gian.
• An ninh quốc gia và quân sự: Đồng hồ nguyên tử giúp đồng bộ thời gian trong các hệ thống quân sự như tên lửa và máy bay không người lái, đảm bảo hiệu quả và tính chính xác trong các hoạt động quan trọng.
• Đồng hồ nguyên tử đeo tay: Một số mẫu đồng hồ đeo tay dùng công nghệ nguyên tử như đồng hồ bắt sóng Radio Controlled của Citizen và Casio, mang lại sự tiện lợi và độ chính xác cao cho người dùng.

So sánh đồng hồ nguyên tử với đồng hồ cơ và pin

Những thương hiệu đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất

Thương hiệu Citizen

Citizen được xem là một trong những thương hiệu tiên phong trong lĩnh vực chế tạo đồng hồ nguyên tử, khi cho ra mắt sản phẩm đầu tiên là Citizen 7400 Multizone Radio-Controlled vào năm 1993. Đây là chiếc đồng hồ đa băng tần đầu tiên có khả năng nhận tín hiệu từ đồng hồ nguyên tử, cho phép nó điều chỉnh thời gian tự động với độ chính xác cao, chỉ sai lệch một giây mỗi vài triệu năm.

Đồng hồ Citizen 7400 Multizone Radio-Controlled

Thương hiệu Casio

Casio là cái tên không thể thiếu trong danh sách các thương hiệu đồng hồ nguyên tử phổ biến nhất. Các dòng sản phẩm nổi bật của Casio như: G-Shock, Pro Trel, Edifice và Wave Ceptor đều có các mẫu được trang bị công nghệ Multiband 6 tiên tiến, cho phép đồng hồ tự động đồng bộ thời gian từ trạm phát sóng trên toàn thế giới.

Đồng hồ G-Shock GW7900B-1 với công nghệ Multiband 6 tiên tiến

Tại sao đồng hồ nguyên tử lại đắt tiền?

Đồng hồ nguyên tử thường có giá cao do sự phức tạp trong thiết kế và công nghệ tiên tiến mà nó tích hợp. Không giống như đồng hồ cơ học hay đồng hồ thạch anh, đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa trên nguyên tắc cộng hưởng tần số của nguyên tử, cho phép đo thời gian với độ chính xác gần như tuyệt đối. Để đạt được mức độ chuẩn xác này, các nhà sản xuất phải đầu tư rất lớn vào nghiên cứu và phát triển công nghệ, đồng thời sử dụng vật liệu chất lượng cao nhằm đảm bảo độ bền và khả năng hoạt động ổn định trong các môi trường khắc nghiệt.

Thêm vào đó, một số mẫu đồng hồ nguyên tử còn được trang bị công nghệ năng lượng mặt trời hoặc Eco-Drive, giúp chúng hoạt động mà không cần thay pin. Tất cả những yếu tố này đều làm tăng giá trị và mức giá của đồng hồ nguyên tử so với các dòng đồng hồ thông thường.

Lời kết

Đồng hồ nguyên tử không chỉ là công cụ đo thời gian chính xác nhất mà còn thể hiện sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ chế tác đồng hồ hiện đại. Với khả năng đồng bộ hóa tuyệt đối và độ bền đáng kinh ngạc, đồng hồ nguyên tử ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu khoa học đến đời sống thường nhật. Vậy là sau bài viết này chúng ta đã biết đồng hồ nguyên tử là gì, đừng quên vào trang tin tức của Bệnh Viện Đồng Hồ JSC để khám phá thêm nhiều loại đồng hồ khác nhé!