Khám phá các phương pháp đo thời gian

Ý tưởng đo thời gian chỉ xuất hiện cách đây khoảng 5.000-6.000 năm khi con người bắt đầu cuộc sống định cư và xây dựng các nền văn minh. Trước đó, thời gian chỉ được chia làm hai khái niệm là ngày và đêm. Nhà khoa học thiên tài Einstein từng nói: “Sự phân biệt giữa quá khứ, hiện tại và tương lai chỉ là một ảo tưởng cố chấp dai dẳng”.

Dù cho thời gian có thật hay không, việc canh đo khái niệm này đã trở nên không thể thiếu trong cuộc sống của chúng ta. Con người đã sáng tạo ra nhiều phương thức để xác định đại lượng này, từ cách thô sơ nhất là dựa vào sự chuyển động của mặt trời cho đến các đồng hồ nguyên tử siêu chính xác ngày nay.

Hãy cùng tạp chí Discovery điểm lại một số phương thức đo thời gian được con người sử dụng từ trước đến nay.

Dựa vào Mặt trời

Đồng hồ mặt trời.

Người Ai Cập có lẽ là những người đầu tiên biến việc canh thời gian thành một môn khoa học. Họ xây dựng những cột lớn từ những năm 3.500 trước Công nguyên (TCN) và đặt chúng ở những vị trí thuận lợi để đo được bóng đổ xuống của chúng. Đồng hồ mặt trời hoạt động theo nguyên tắc theo dõi bóng của cái que cắm trên phiến đá thay đổi hướng và độ dài. Thuở sơ khai, công cụ này chỉ giúp họ biết được thời điểm nào là giữa ngày, nhưng về sau họ đã nghĩ ra cách để phân chia thời gian thành những phần nhỏ hơn.

Hai ngàn năm sau, cũng là người Ai Cập nghiên cứu và chế tạo chiếc đồng hồ mặt trời đầu tiên với thiết kế được chia làm 10 phần. Chiếc đồng hồ này hoạt động dựa vào chuyển động của mặt trời. Phần nhô lên trên mặt của nó sẽ đổ bóng xuống mặt đồng hồ và chỉ vào con số đã được khắc. Vào giữa ngày, người ta phải xoay chiếc đồng hồ này 180 độ để nó tiếp tục chỉ giờ chiều. Và dĩ nhiên là chiếc đồng hồ này không thể chỉ giờ vào những ngày âm u hay vào ban đêm. Nó cũng không chính xác vì mặt trời ở những góc khác nhau vào các thời điểm khác nhau trong năm; giờ có thể ngắn hơn hoặc dài hơn tùy thuộc vào mùa. Tuy vậy, đến năm 30 TCN đã có hơn 30 loại đồng hồ mặt trời được sử dụng ở Hy Lạp, Ý, và vùng Tiểu Á. Ngày nay hệ thống tính giờ của chúng ta vẫn dựa vào mặt trời thông qua việc quy ước những múi giờ.

Dựa vào những ngôi sao

Dụng cụ thiên văn "merkhet" của người Ai Cập.

Cũng là người Ai Cập phát minh ra phương pháp canh thời gian vào ban đêm bằng một dụng cụ thiên văn (gọi là merkhet) vào khoảng năm 600 trước Công nguyên. Dụng cụ này gồm một sơi dây có buộc một quả tạ ở một đầu dùng để đo một đường thẳng. Những nhà thiên văn Ai Cập thời đó canh sao cho 2 merkhet hướng về phía sao Bắc Cực và dựa vào đó để đánh dấu một đường bắc-nam, hay còn gọi là đường thiên kinh tuyến, trên bầu trời đêm. Thời gian sẽ được xác định khi một số ngôi sao nhất định vượt qua đường này.

Đồng hồ cát

Một chiếc đồng hồ cát thời trung cổ được chế tác cầu kỳ.

Đồng hồ cát là một dụng cụ đo thời gian gồm hai bình thủy tinh được nối với nhau bằng một eo hẹp, để cát mịn chảy từ bình này sang bình kia qua eo nối, với một tốc độ nhất định. Khi cát từ bình này đã chảy hết vào bình kia, đồng hồ cát được dốc ngược lại để cát chảy theo chiều ngược lại. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cát chảy là dung lượng cát, kích cỡ và góc của bình, độ rộng cổ eo và chất lượng cát.

Nguồn gốc của loại đồng hồ này cho vẫn chưa xác định được. Có nguồn cho rằng người sáng chế ra nó là một tu sĩ người Pháp tên Luitprand sống ở thế kỷ thứ 8; tuy nhiên phải đến thế kỷ 14 người ta mới thấy sự xuất hiện phổ biến của loại đồng hồ này. Đồng hồ cát được thiết kế để đo nhiều khoảng thời gian ngắn khác nhau: có loại 1 giờ, nửa giờ, hoặc thậm chí chỉ vài phút. Ngày xưa, những nhà giàu có thường trưng những chiếc đồng hồ cát lớn như là đồ trang trí trong nhà, dần về sau loại đồng hồ này đã được dùng phổ biến trong mọi tầng lớp. Hiện tại, loại đồng hồ này lưu thông phổ biến nhất ở dạng quà lưu niệm với thời gian đo chỉ 3 phút thường được dùng để canh thời gian luộc trứng.

Đồng hồ nước

Một mẫu đồng hồ nước

Đây là thiết bị đo thời gian đầu tiên không phụ thuộc vào các yếu tố thiên văn để xác định thời gian, có nghĩa là nó có thể được dùng vào bất cứ lúc nào trong ngày/đêm. Đồng hồ nước hoạt động bằng cách đo lượng nước nhỏ từ một bình chứa này sang bình chứa khác. Người Ai Cập sở hữu phát minh này, tuy nhiên nó đã phổ biến và được sử dụng rộng rãi khắp thế giới, vài nước trên thế giới thậm chí còn sử dụng loại thước đo thời gian này cho đến tận thế kỷ 20.

Đồng hồ cơ học 

Đồng hồ cơ học ra đời ở Châu Âu vào những năm 1300. Chúng hoạt động nhờ vào một hệ thống những quả nặng kết hợp với con quay. Những chiếc đồng hồ đầu tiên không có kim chỉ giờ hay phút mà chúng chỉ giờ bằng cách đổ chuông (từ đồng hồ tiếng Anh “clock” xuất phát từ tiếng Pháp “cloche” có nghĩa là “chuông”). Hệ thống dây cót được phát triển vào thế kỉ 15. Kim phút xuất hiện vào năm 1475, và kim giây xuất hiện vào khoảng năm 1560 (tuy nhiên nó hoạt động không được chính xác lắm và chỉ giúp cho người ta nhận ra rằng đồng hồ vẫn còn hoạt động). Vào năm 1653, Galileo Galilei phát minh ra con lắc dẫn đến sự ra đời của đồng hồ quả lắc do Christiaan Huygens chế tạo. Ông đã phát hiện nếu con lắc có độ dài 99,38 cm thì một chu kì của nó sẽ là đúng 1 giây. Vào năm 1670, William Clement phát minh ra hệ thống hồi dạng mỏ neo giúp nâng độ chính xác của đồng hồ. Từ đó, kim phút và kim giây xuất hiện ở hầu hết các loại đồng hồ.

Đồng hồ “độc”

Đồng hồ nhang của người Trung Hoa

Nhiều thế kỷ trước, người ta đã nghĩ ra đủ cách để tính giờ. Người Trung Hoa phát minh ra cách đo thời gian bằng nhang vào khoảng năm 960-1270, và cách này đã được phổ biến qua khắp các vùng đông Á. Cấu tạo của loại đồng hồ này gồm những quả cầu kim loại được buộc vào dọc thanh nhang theo khoảng cách đều nhau bằng những sợi dây; khi nhang cháy hết một đoạn thì dây sẽ tuột và những quả cầu rớt xuống tạo ra tiếng động báo hiệu giờ.

Đồng hồ nến có số vạch trên thân nến; khi bị đốt nến ngắn đi đồng thời chỉ thời gian tương ứng được vạch trên thân. Đôi khi người ta không vạch số lên thân nến, nhưng người sử dụng phải biết thời gian nến cháy hết để xác định thời gian gần đúng.

Đồng hồ thạch anh

Cấu tạo của một chiếc đồng hồ thạch anh

Năm 1880 Jacques và Pierre Curie phát hiện ra hiện tượng áp điện ở tinh thể thạch anh; có nghĩa là chúng có khả năng chuyển các dao động cơ học thành xung điện áp và ngược lại. Từ đó người ta thấy rằng có thể dùng thạch anh để tạo ra những dao động điện rất ổn định làm chuẩn, từ đó có thể làm đồng hồ thạch anh, chính xác, tiện lợi hơn đồng hồ quả lắc. Lần đầu tiên Walter G. Cady ứng dụng thạch anh vào một bộ kiểm soát dao động điện tử vào năm 1921. Ông công bố kết quả vào năm 1922 và đến năm 1927 thì Warren A. Marrison đã ứng dụng tinh thể thạch anh vào điều khiển sự hoạt động của các đồng hồ.

Loại đồng hồ này có một số ưu điểm: tiện lợi, không cần lên giây, đa tính năng, kiểu dáng thời trang…Vì vậy nó rất được giới trẻ ưa chuộng. Hiện trên thị trường có ba loại đồng hồ thạch anh là đồng hồ thạch anh báo số, đồng hồ thạch anh chạy kim và đồng hồ kết hợp số-kim.

Đồng hồ nguyên tử

Chiếc đồng hồ nguyên tử đầu tiên trên thế giới (1949)

Đồng hồ nguyên tử là đồng hồ điều chỉnh thời gian theo trạng thái dao động của nguyên tử. Tần số dao động của nguyên tử là không đổi và có thể đo được, vì vậy đồng hồ nguyên tử là loại đồng hồ chính xác nhất cho tới nay.

Năm 1949, đồng hồ nguyên tử đầu tiên hoạt động theo chuyển động của phân tử Amoniac được chế tạo ở Viện tiêu chuẩn và kỹ thuật Quốc gia Hoa Kỳ.

Năm 1955, Louis Essen chế tạo thành công đồng hồ nguyên tử hoạt động theo chuyển động nguyên tử Caesium tại phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh.

Ngoài nguyên tử Caesium, nguyên tử Rubidium, Hiđrô và các nguyên tử hay phân tử khác đã được dùng thành công và đạt độ chính xác ngày càng cao hơn.

Đồng hồ nguyên tử được dùng đo chính xác thời gian, xác định và phối hợp các múi giờ và các hệ thống giờ với nhau. Ngoài ra, đồng hồ nguyên tử còn được dùng trong tên lửa, máy bay không người lái, và đặt biệt là đo thời gian để xác định khoảng cách trên vệ tinh trong các hệ thống định vị như GPS, GLONASS hay Galileo.

Lịch

Lịch của người Maya

Dương lịch dựa trên thay đổi thấy được theo mùa, được đồng bộ theo chuyển động biểu kiến của Mặt Trời.

Sử dụng cơ bản nhất của lịch là để xác định ngày: để có thể thông báo các sự kiện tương lai và ghi chép lại các sự kiện đã xảy ra. Các ngày có thể có ý nghĩa đối với các mùa thông thường, đối với một tôn giáo hay các ngày lễ xã hội. Ví dụ, lịch cung cấp cách thức để xác định ngày nào là những ngày lễ tôn giáo hay ngày lễ công cộng, những ngày nào đánh dấu sự bắt đầu hay kết thúc của các chu kỳ hoạt động sản xuất-kinh doanh, cũng như ngày nào là có giá trị pháp lý như ngày hết hạn trong các hợp đồng hay ngày nộp thuế. Cũng có lịch còn cung cấp thêm thông tin khác có ích chẳng hạn như thông tin về ngày hay mùa của nó.