Mới đây tờ New York Times có đăng một bài nói là các nhà khoa học ở Google và Đại Học Stanford đã tìm ra một kỹ thuật để kiểm chứng thời gian tới 1 phần 100 tỷ của một giây. Tại sao phải cần như vậy? Đây là do sự mua bán cổ phiếu bằng điện tử nên cần có dấu thời gian thật chính xác.
Bài này tôi nói về đồng hồ, lịch sử và cách hoạt động của các loại đồng hồ.
Lịch sử của đồng hồ
Từ xưa đã có nhu cầu ghi dấu thời gian, tuy không chính xác như bây giờ nhưng đã có nhiều dụng cụ đo thời gian.
Đồng hồ mặt trời
Theo lịch sử của nền văn minh Ai Cập thì khoảng 3500 TCN người Ai Cập đã dựng lên những tháp cao nơi công cộng. Ở dưới đất chung quanh tháp có những hình vẽ theo hình xoắn ốc. Tùy theo vị trí bóng của tháp trên đất mà người dân biết thời giờ. Đồng hồ mặt trời là theo ý đó, khoảng thế kỷ thứ 4 TCN Ai Cập đã có đồng hồ mặt trời như hình minh họa sau đây:
Đồng hồ mặt trời có một cái đĩa tròn trên đó có khắc những dấu, ở giữa có gắn một cái que hay một phiến đá. Khi mặt trời di chuyển thì bóng của cái que chiếu xuống đĩa cũng di chuyển theo. Nhìn cái bóng người ta biết là giờ nào. Từ Ai Cập đồng hồ mặt trời được truyền đi qua những nền văn minh khác như Hy lạp, La Mã và Trung Đông. Âu Châu dùng đồng hồ mặt trời cho tới thế kỷ thứ 19 mới được thay thế bằng đồng hồ cơ khí.
Người La Mã cũng dùng đồng hồ mặt trời, nhưng chế thêm đồng hồ nước để biết thời giờ khi không có mặt trời hay ban đêm. Nước được cho nhỏ giọt xuống từ một thùng chứa nước. Số lượng nước nhỏ xuống cho biết thời gian đã qua. Họ đã dùng đồng hồ mặt trời để định chuẩn cho đồng hồ nước nên đồng hồ nước khá chính xác và tiện dụng.
Thời xưa bên các nước bên Á Châu như Ấn Độ, Nhật Bản và Trung Quốc đều có đồng hồ, như đồng hồ nước hay đồng hồ nến.
Đồng hồ cơ khí
Đồng hồ cơ khí cần có một nguồn năng lượng để chạy. Nguồn năng lượng ấy là từ một cái lò xo trong đồng hồ. Người ta nói “lên giây đồng hồ” có nghĩa là cuộn lò xo cho căng ra. Nói một cách khác là dự trữ năng lượng vào lò xo. Khi lò xo từ từ dãn ra thì năng lượng đó làm chuyển động các bộ phận và làm cho các bánh răng quay.
Một bộ phận quan trọng trong đồng hồ cơ khí là cơ cấu thoát (escape mechanism) hay còn gọi là cái hồi (escapement). Cơ cấu thoát chuyển năng lực thành một cơ cấu dao động. Sự dao động này là bộ phận giữ nhịp thời gian. Thí dụ cơ cấu dao động chuyển động qua lại 20 lần một giây thì cứ 20 lần bánh răng cưa sẽ chuyển lên một nấc để chỉ 1 giây đã trôi qua.
Đồng hồ quả lắc dùng quả lắc để giữ nhịp thời gian, vì thời gian con lắc di chuyển từ đầu này qua đầu khác không thay đổi. Một truyền thuyết cho rằng khoa học gia nổi tiếng, ông Galileo Galilei (1654-1642) đã nghĩ ra được nguyên tắc của đồng hồ quả lắc khi ông ngồi nhìn một cái đèn lớn trong nhà thờ Pisa bên Ý đưa qua đưa lại. Đèn này được treo từ trần nhà bằng một sợi dây xích, giống như một con lắc.
Từ thế kỷ thứ 13 trở đi bên Âu Châu đã có rất nhiều đồng hồ nhất là ở các nhà thờ. Lý do chính là để cho các con chiên biết giờ mà tới dự lễ. Tới thế kỷ thứ 16 thì có nhiều tiến bộ về kim khí khiến cho người ta có thể thu nhỏ đồng hồ thành đồng hồ bỏ túi (pocket watch). Cho đến đầu thế kỷ 20 thì đồng hồ bỏ túi dần dần được thay thế bằng đồng hồ đeo tay. Tiếng Việt hồi xưa gọi đồng hồ bỏ túi là đồng hồ quả quýt, tôi không biết sao lại gọi là đồng hồ quả quýt, có thể giống quả quýt chăng?
Đồng hồ thạch anh (quartz watch)
Thạch anh là một khoáng chất có đầy rẫy trên trái đất và là một phần chính của cát. Tuy nhiên thạch anh dùng trong đồng hồ là thạch anh nhân tạo. Các nhà sản xuất đồng hồ thích dùng thạch anh nhân tạo tại vì phẩm chất đồng đều hơn. Thạch anh có một đặc tính gọi là hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect), có nghĩa là nếu một dòng điện đi qua thì nó rung và ngược lại khi nó rung thì lại sinh ra một điện áp.
Nguyên tắc của đồng hồ thạch anh là như sau: Khi có một luồng điện chạy qua thì tinh thể thạch anh rung 32,768 lần một giây. Một mạch tích hợp đếm số lần rung và cứ tới số 32,768 là coi như một giây đã trôi qua. Mạch tích hợp gửi thông tin này tới bộ phận hiện thị để tăng lên một giây.
Cơ quan khảo cứu Bell Laboratories của công ty AT&T đã phát minh ra đồng hồ thạch anh vào năm 1928. Nhưng đó là loại đồng hồ lớn. Chỉ sau khi có mạch tích hợp thì mới có thể thu nhỏ làm đồng hồ đeo tay. Vào cuối thập niên 1960, một số công ty Thụy Sĩ đã chế tạo ra kiểu mẫu đồng hồ thạch anh đeo tay. Như bạn biết Thụy Sĩ là quốc gia đứng hàng đầu trên thế giới về đồng hồ cơ khí. Nếu họ làm đồng hồ thạch anh thì sẽ có ảnh hưởng lớn tới kỹ nghệ đồng hồ cơ khí nên họ quyết định không sản xuất loại đồng hồ đó. Năm 1969, Seiko tung ra thị trường đồng hồ thạch anh đeo tay đầu tiên và kể từ đó chiếm đa số thị trường đồng hồ đeo tay. Đa số đồng hồ đeo tay bây giờ là đồng hồ thạch anh.
So sánh đồng hồ thạch anh và đồng hồ cơ khí
Chính xác: đồng hồ thạch anh chính xác hơn đồng hồ cơ khí rất nhiều vì sự rung động của thạch anh không thay đổi.
Dễ bảo trì: đồng hồ thạch anh không có những bộ phận di động như đồng hồ cơ khí nên không cần bảo trì như đồng hồ cơ khí.
Mỏng: vì chỉ là những mạch điện nên đồng hồ thạch anh có thể làm rất mỏng.
Vì những mạch điện rất dễ sản xuất nên bạn có thể mua một cái đồng hồ thạch anh với giá dưới $10 và chạy cũng tốt không kém gì đồng hồ đắt tiền.
Đồng hồ thạch anh tốt như vậy tại sao người ta vẫn bán và vẫn mua đồng hồ cơ khí? Đồng hồ cơ khí bây giờ được coi như một đồ trang sức. Vì nhiều đồng hồ hàng hiệu rất đắt tiền, thí dụ như Rolex, Piaget hay Jaeger-le-Coultre, nên đeo nó là một hình thức khoe mình có tiền.
Đồng hồ nguyên tử
Mỗi đồng hồ đều có một cơ cấu dao động, thí dụ thạch anh dao động 32,768 lần một giây. Đếm số dao động là biết thời gian. Đồng hồ nguyên tử dùng sự dao động của các nguyên tử. Sự giao động này chính xác hơn là thạch anh rất nhiều. Nguyên tử Sesium-133 giao động 9,192,631,770 lần trong một giây. Chính phủ Hoa Kỳ hiện có một đồng hồ nguyên tử tại NIST Laboratories ở Colorado. Trong 100 năm đồng hồ này chỉ sai có 1 giây.
Nhiều đồng hồ đeo tay quảng cáo là đồng hồ nguyên tử thật ra là chỉ dùng radio để lấy giờ chính xác từ đồng hồ nguyên tử của chính phủ Hoa Kỳ.
Đồng hồ hiện đại
Những đồng hồ hiện đại như iWatch có rất nhiều chức năng. Vấn đề chỉ giờ trở thành chuyện phụ. iWatch là một trong những loại đồng hồ mới gọi là đồng hồ đeo tay thông minh (smart watch). Những đồng hồ này có thể:
- Truy cập mạng
- Dùng như điện thoại
- Dùng để trả tiền
- Theo dõi tình trạng sức khỏe của người đeo (Hà Dương Cự)
