Who decides how long a second is? - John Kitching

Translator: Nhung Nguyen Reviewer: Nhu PHAM

In 1967, researchers from around the world

Vào năm 1967, những nhà nghiên cứu khắp thế giới

gathered to answer a long-running scientific question—

đã tụ họp lại để trả lời một câu hỏi khoa học lâu đời --

just how long is a second?

một giây dài bao lâu?

It might seem obvious at first.

Thoạt nghe có vẻ hiển nhiên.

A second is the tick of a clock,

Một giây là một tích tắc của đồng hồ,

the swing of a pendulum, the time it takes to count to one.

một lần dao động của con lắc, thời gian cần để đếm đến một.

But how precise are those measurements?

Nhưng các phép đo đấy chính xác đến mức nào?

What is that length based on?

Độ dài đó dựa trên thứ gì?

And how can we scientifically define this fundamental unit of time?

Và làm thế nào ta có thể xác định

một cách khoa học đơn vị cơ bản của thời gian?

For most of human history, ancient civilizations

Trong phần lớn lịch sử loài người,

các nền văn mình cổ đại xác định thời gian theo lịch riêng

measured time with unique calendars

that tracked the steady march of the night sky.

bằng cách theo dõi chu kỳ ổn định của trời đêm.

In fact, the second as we know it wasn’t introduced until the late 1500’s,

Thực tế, một giây như ta biết, chỉ mới xuất hiện từ cuối những năm 1500

when the Gregorian calendar began to spread across the globe

khi lịch Gregorian (Dương lịch) bắt đầu phổ biến trên toàn cầu

alongside British colonialism.

cùng với chủ nghĩa thực dân Anh.

The Gregorian calendar defined a day as a single revolution of the Earth

Lịch Gregorian xác định một ngày là thời gian Trái Đất hoàn thành

about its axis.

một vòng quay quanh trục của nó.

Each day could be divided into 24 hours, each hour into 60 minutes,

Một ngày có thể được chia thành 24 giờ,

mỗi giờ gồm 60 phút,

and each minute into 60 seconds.

và mỗi phút gồm 60 giây.

However, when it was first defined,

Tuy nhiên, khi được xác định lần đầu,

the second was more of a mathematical idea than a useful unit of time.

một giây thiên về định nghĩa toán học hơn là một đơn vị thời gian có ích.

Measuring days and hours was sufficient for most tasks in pastoral communities.

Đo lường ngày và giờ đã đủ cho hầu hết nhiệm vụ trong các cộng đồng mục vụ.

It wasn’t until society became interconnected

Chỉ đến khi xã hội trở nên kết nối hơn thông qua

through fast-moving railways that cities needed to agree on exact timekeeping.

các tuyến đường sắt tốc hành,

các thành phố mới cần thống nhất cách tính thời gian chính xác.

By the 1950’s, numerous global systems required every second

Những năm 1950, nhiều hệ thống toàn cầu yêu cầu mỗi giây phải được tính

to be perfectly accounted for, with as much precision as possible.

một cách hoàn hảo, với độ chính xác cao nhất có thể.

And what could be more precise than the atomic scale?

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

As early as 1955, researchers began to develop atomic clocks,

Ngay từ những năm 1955, các nhà nghiên cứu bắt đầu phát triển đồng hồ nguyên tử,

which relied on the unchanging laws of physics

dựa trên các quy luật vật lý bất biến

to establish a new foundation for timekeeping.

để thiết lập nền tảng tính giờ mới.

An atom consists of negatively charged electrons

Một nguyên tử bao gồm các electron mang điện tích âm

orbiting a positively charged nucleus at a consistent frequency.

quay quanh hạt nhân mang điện tích dương ở một tần số nhất định.

The laws of quantum mechanics keep these electrons in place,

Các định luật cơ học lượng tử giữ cho các electron ở vị trí cố định,

but if you expose an atom to an electromagnetic field

nhưng nếu cho nguyên tử tiếp xúc với một trường điện từ,

such as light or radio waves,

như ánh sáng hoặc sóng vô tuyến,

you can slightly disturb an electron’s orientation.

bạn có thể làm nhiễu động một chút hướng của các electron.

And if you briefly tweak an electron at just the right frequency,

Và nếu điều chỉnh một electron ở tần số phù hợp,

you can create a vibration that resembles a ticking pendulum.

bạn có thể tạo ra một dao động, tương tự như con lắc.

Unlike regular pendulums that quickly lose energy, electrons can tick for centuries.

Không giống như con lắc thông thường nhanh chóng mất năng lượng

các electron có thể tích tắc suốt hàng thế kỷ.

To maintain consistency and make ticks easier to measure,

Để duy trì tính nhất quán, và đo những tích tắc dễ dàng hơn,

researchers vaporize the atoms,

các nhà khoa học làm bay hơi nguyên tử

converting them to a less interactive and volatile state.

chuyển chúng thành dạng ít tương tác và bay hơi hơn.

But this process doesn’t slow down the atom’s remarkably fast ticking.

Nhưng quá trình này không làm chậm quá những tích tắc siêu nhanh của nguyên tử.

Some atoms can oscillate over nine billion times per second,

Một số nguyên tử có thể dao động chín tỉ lần mỗi giây,

giving atomic clocks an unparalleled resolution for measuring time.

giúp đồng hồ nguyên tử có độ phân giải vô song để đo thời gian.

And since every atom of a given elemental isotope is identical,

Vì mọi nguyên tử của một đồng vị nguyên tố là giống hệt nhau,

two researchers using the same element and the same electromagnetic wave

hai nhà nghiên cứu dùng cùng một nguyên tố và cùng một sóng điện từ

should produce perfectly consistent clocks.

sẽ tạo ra những đồng hồ hoàn toàn nhất quán.

Nhưng trước khi cách tính giờ có thể dựa hoàn toàn trên nguyên tử,

But before timekeeping could go fully atomic,

countries had to decide which atom would work best.

các quốc gia phải quyết định xem nguyên tử nào sẽ hoạt động tốt nhất.

This was the discussion in 1967,

Vào cuộc thảo luận năm 1967,

at the Thirteenth General Conference of the International Committee

tại Hội nghị toàn cầu về cân đo lần thứ 13,

for Weights and Measures.

There are 118 elements on the periodic table,

có 118 nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học,

each with their own unique properties.

mỗi nguyên tố có những tính chất riêng biệt.

For this task, the researchers were looking for several things.

Trong nhiệm vụ này, các nhà nghiên cứu chú ý đến rất nhiều tính chất,

The element needed to have long-lived

Nguyên tố đó cần phải có thời gian tồn tại đủ dài

and high frequency electron oscillation for precise, long-term timekeeping.

và tần số dao động điện tử cao để tính giờ chính xác, lâu dài.

To easily track this oscillation,

Để dễ dàng theo dõi dao động này,

it also needed to have a reliably measurable quantum spin—

nó cũng cần có spin lượng tử có thể đo lường được một cách đáng tin -

meaning the orientation of the axis about which the electron rotates—

tức là hướng của trục mà electron quay quanh-

as well as a simple energy level structure—

cũng như là cấu trúc năng lượng đơn giản-

meaning the active electrons are few and their state is simple to identify.

nghĩa là các electron hoạt động rất ít và dễ xác định trạng thái của chúng.

Finally, it needed to be easy to vaporize.

Cuối cùng, nó cần phải dễ bay hơi.

The winning atom? Cesium-133.

Và nguyên tố chiến thắng là? Cesium-133.

Cesium was already a popular element for atomic clock research,

Cesium vốn phổ biến trong nguyên cứu về đồng hồ nguyên tử,

and by 1968, some cesium clocks were even commercially available.

đến năm 1968, thậm chí, vài đồng hồ cesium còn được bán trên thị trường.

All that was left was to determine how many ticks of a cesium atom

Tất cả những việc còn lại là xác định xem có bao nhiêu tích tắc

were in a second.

của một nguyên tử cesium trong một giây.

The conference used the most precise astronomical measurement

Hội nghị đã dùng phép đo thiên văn chính xác nhất của một giây

of a second available at the time—

tại thời điểm đó-

beginning with the number of days in a year and dividing down.

bắt đầu với số ngày trong năm và chia nhỏ dần.

When compared to the atom’s ticking rate,

Khi so sánh với tốc độ tích tắc của một nguyên tử,

the results formally defined one second

kết quả sẽ giúp chính thức xác định một giây

as exactly 9,192,631,770 ticks of a cesium-133 atom.

chính xác là 9,192,631,770 tích tắc

của một nguyên tử cesium-133.

Today, atomic clocks are used all over the Earth— and beyond it.

Ngày nay, đồng hồ nguyên tử được dùng khắp thế giới, và hơn thế.

From radio signal transmitters to satellites

Từ máy phát tín hiệu vô tuyến đến vệ tinh cho hệ thống định vị toàn cầu,

for global positioning systems,

these devices have been synchronized

những thiết bị này đã được đồng bộ

to help us maintain a globally consistent time—

để giúp ta duy trì thời gian nhất quán trên toàn cầu,

with precision that’s second to none.

với độ chính xác không sai một giây.