Nếu đồng hồ đeo tay đo thời gian bằng chuyển động của bánh răng hoặc dao động của tinh thể thạch anh, thì đồng hồ nguyên tử lại sử dụng tần số dao động tự nhiên của các nguyên tử. Mỗi khi một nguyên tử chuyển đổi giữa hai mức năng lượng xác định, nó phát ra hoặc hấp thụ bức xạ điện từ với tần số cực kỳ ổn định. Chính đặc tính này đã biến nguyên tử thành "quả lắc" hoàn hảo nhất mà con người từng biết đến.

Ảnh: nist

Từ năm 1967, đơn vị giây trong Hệ đơn vị quốc tế (SI) được định nghĩa dựa trên nguyên tử cesi-133. Một giây tương ứng với đúng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ phát sinh trong quá trình chuyển mức năng lượng đặc trưng của nguyên tử này. Nhờ đó, các đồng hồ nguyên tử hiện đại có thể đạt độ chính xác đến mức nếu hoạt động liên tục, nhiều mẫu chỉ sai khoảng một giây sau hàng trăm triệu, thậm chí hàng tỷ năm.

Ảnh: nist

Nhưng khoa học không dừng lại ở đó. Những thế hệ đồng hồ quang học mới sử dụng các nguyên tử như stronti, ytterbi hoặc ion nhôm đang đạt độ ổn định còn cao hơn nhiều. Chúng có khả năng phát hiện sự chênh lệch thời gian do thay đổi độ cao chỉ vài xentimét, bởi theo thuyết tương đối rộng của Albert Einstein, thời gian trôi nhanh hơn một chút ở nơi có trường hấp dẫn yếu hơn.

Đồng hồ nguyên tử đóng vai trò không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực. Hệ thống định vị GPS dựa vào tín hiệu thời gian cực kỳ chính xác từ các vệ tinh; chỉ cần sai lệch một phần tỷ giây cũng có thể khiến vị trí tính toán lệch hàng mét. Các mạng viễn thông, giao dịch tài chính, quan sát thiên văn vô tuyến và nhiều thí nghiệm vật lý hiện đại đều phụ thuộc vào việc đồng bộ thời gian bằng đồng hồ nguyên tử.

Ảnh: livescience

Đối với việc đo thời gian của vũ trụ, đồng hồ nguyên tử là nền tảng để các nhà khoa học xác định chính xác chu kỳ quay của Trái Đất, theo dõi sự thay đổi rất nhỏ trong tốc độ tự quay của hành tinh, đo chuyển động của các tàu thăm dò không gian và kiểm nghiệm các dự đoán của thuyết tương đối. Chúng cũng góp phần xây dựng các thang thời gian quốc tế như UTC – chuẩn thời gian được sử dụng trên toàn thế giới.

Ngày nay, mục tiêu của các nhà vật lý không chỉ là tạo ra chiếc đồng hồ chính xác hơn, mà còn biến nó thành công cụ nghiên cứu vũ trụ. Mỗi bước tiến về độ chính xác đều mở ra khả năng phát hiện những hiện tượng vật lý cực kỳ tinh vi, từ sóng hấp dẫn tần số thấp đến những biến đổi rất nhỏ của trường hấp dẫn Trái Đất. Có thể nói, đồng hồ nguyên tử không chỉ đo thời gian mà còn giúp con người đọc được "nhịp đập" của chính vũ trụ.