(มีคลิป) วิวัฒนาการของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีการวัดเวลา จากนาฬิกาแดด จนถึงนาฬิกานิวเคลียส
นับตั้งแต่สมัยดึกดำบรรพ์ มนุษย์ได้เห็นการเปลี่ยนแปลงของธรรมชาติมาโดยตลอด เช่น เห็นกลางวันค่อยๆ เปลี่ยนเป็นกลางคืน เห็นฤดูฝนเปลี่ยนเป็นฤดูหนาว เห็นดาวเคราะห์โคจรไปในท้องฟ้า เห็นการเกิดและการแตกดับของสิ่งมีชีวิต ฯลฯ ผู้คนก็เริ่มมีความคิดและความเข้าใจในความหมายของคำว่า “เวลา” และได้เรียกช่วงเวลาที่โลกเปลี่ยนจากกลางวัน เป็นกลางคืน แล้วกลับสู่กลางวัน อีกคำรบหนึ่งว่าเวลา 1 วัน จากนั้นได้แบ่ง 1 วัน ออกเป็น 24 ชั่วโมง และให้ 1 ชั่วโมง มี 60 นาที โดยที่ 1 นาที มีค่าเท่ากับ 60 วินาที ดังนั้นเราจึงอาจให้คำจำกัดความของเวลาได้ว่า คือ สิ่งที่วัดเป็นวินาที
ประวัติศาสตร์มิได้มีการบันทึกไว้อย่างชัดเจนว่า มนุษย์เริ่มรู้วิธีวัดเวลาตั้งแต่เมื่อใด Herodotus (484-425 ปีก่อนคริสตกาล) นักประวัติศาสตร์กรีก ได้เคยกล่าวถึงว่าชาวบาบิโลนในดินแดน Mesopotamia ว่า รู้จักใช้นาฬิกาแดดที่ทำด้วยเสาไม้ปักดิ่งอยู่กลางแดด เพื่อทำให้เกิดเงา แล้วใช้ความยาวของเงา เป็นตัวเลขบอกเวลาตั้งแต่เมื่อ 4,500 ปีก่อน
ด้านชาวกรีกโบราณก็รู้จักสร้างนาฬิกาน้ำ (clepsydra) โดยคำนี้มีรากศัพท์มาจาก clep ที่แปลว่า ขโมย และ hydra ที่แปลว่า น้ำ เพราะนาฬิกาน้ำทำงานโดยอาศัยหลักการว่า น้ำที่ไหลออกจากภาชนะดินเผาที่มีน้ำบรรจุเต็มเป็นสายทีละน้อย มีลักษณะเหมือนกับการขโมยน้ำ ช่วงเวลาที่น้ำไหลออกจนหมดภาชนะ นับเป็นเวลา 1 clepsydra นาฬิกาน้ำนี้ได้เป็นที่นิยมใช้ยิ่งกว่านาฬิกาแดด เพราะสามารถทำงานได้ทั้งกลางวันและกลางคืน ทั้งเวลาฝนตกและเวลาแดดไม่ออก แต่นาฬิกานี้มีข้อเสียตรงที่ต้องมีการเติมน้ำในทันทีที่น้ำไหลออกหมดภาชนะ ดังนั้นถ้าพนักงานเติมน้ำลืมหน้าที่นี้ เวลาก็จะหายไปช่วงหนึ่ง หรือเวลาน้ำกลายเป็นน้ำแข็งในฤดูหนาว นาฬิกาน้ำก็จะหยุดทำงาน
พัฒนาการของการสร้างนาฬิกาขั้นต่อไป คือ ใช้ทรายแทนน้ำ นาฬิกาทราย (hourglass) จึงเกิดขึ้น แต่นาฬิกานี้มีจุดบกพร่องตรงที่เวลาในการให้เม็ดทรายทยอยไหลลงจากขวดบนจนหมด เวลาในการไหลของทรายขึ้นกับขนาดของเม็ดทราย และขนาดของรูกว้างที่ให้เม็ดทรายเล็ดรอดผ่าน นอกจากนี้แต่ละช่วงเวลาในการไหลของเม็ดทรายนั้นก็ไม่สม่ำเสมอ เพราะขณะเม็ดทรายอยู่เต็มขวด เม็ดทรายจะเคลื่อนที่เร็ว เวลาจึงผ่านไปเร็ว แต่เวลาเม็ดทรายในขวดแก้วเหลือน้อย ความเร็วในการไหลของทรายจะช้า
นาฬิกาทรายจึงเดินอย่างเป็นมาตรฐาน ทำให้ไม่เป็นที่นิยมใช้ เพราะไม่มีใครชอบนาฬิกาที่เดินไม่สม่ำเสมอ
ในปี 1364 Giovanni de' Dondi (1318-1389) แห่งเมือง Padova ในอิตาลี ได้คิดสร้างนาฬิกาที่มีหน้าปัดและเข็มนาฬิกาแสดงตัวเลขบอกเวลาเป็นชั่วโมง และบอกตำแหน่งของดวงจันทร์ ดวงอาทิตย์ และดาวเคราะห์ (ซึ่งในเวลานั้นรู้จักกันว่ามีเพียง 5 ดวง) ขนาดที่ใหญ่เทอะทะของนาฬิกา เพื่อให้บอกข้อมูล (ที่ไม่จำเป็น) นี้ ทำให้เศรษฐีเท่านั้น ที่จะมีนาฬิกานี้ในครอบครองได้ ส่วนคนจนจะรู้เวลาได้จากการฟังเสียงระฆังโบสถ์ ซึ่งก็มักจะมีนักบวชเป็นคนคอยตีระฆัง เพราะสังคมในเวลานั้นเชื่อว่า เวลา คือ สิ่งที่พระเจ้าทรงประทานให้แก่มนุษย์อย่างปราศจากเงื่อนไขใด ๆ ดังนั้นเวลาให้ใครยืมเงินแล้ว จึงไม่ควรคิดอัตราดอกเบี้ยตามเวลา ด้วยเหตุนี้สังคมยุคนั้นจึงนิยมให้นักบวช (บาทหลวง) เป็นคนควบคุมเวลา
ความคิดจะสร้างนาฬิกาที่เดินเที่ยงตรงได้เกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในปี 1582 เมื่อ Galileo Galilei (1564-1642) ได้พบว่า ลูกตุ้มที่แขวนห้อยจากเพดานด้วยเชือกยาว จะแกว่งไป-มาครบหนึ่งรอบ โดยใช้เวลานานเท่ากันเสมอ ไม่ว่าช่วงกว้าง (แอมพลิจูด) ของการแกว่งจะมากหรือจะน้อยเพียงใด นาฬิกาเพนดูลัม (pendulum clock) ของ Galileo สามารถเดินได้เที่ยงพอสมควร ถ้าเชือกไม่ยืด และบริเวณที่แกว่งลูกตุ้มไม่มีลมพัดเร็ว
อีก 16 ปีต่อมา Christiaan Huygens (1629-1695) นักฟิสิกส์ชาวเนเธอร์แลนด์ ได้ประดิษฐ์นาฬิกาที่ทำงานโดยเครื่องกลซึ่งมีล้อ ฟันเฟือง และลวดสปริง เพื่อใช้ควบคุมการแกว่งของลูกตุ้มให้มีคาบการแกว่งที่สม่ำเสมอ โดยคาบการแกว่งไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ความดันอากาศ และแรงเสียดทานใดๆ นาฬิกาของ Huygens ได้เป็นที่นิยมใช้กันนานถึง 250 ปี
ในปี 1929 Warren Morrison (1936-ปัจจุบัน) ได้พบว่า เวลามีสนามไฟฟ้ากระทำที่ผลึก quartz ผลึกจะสั่นด้วยความถี่คงตัวเท่ากับ 32,768 เฮิรตซ์ นั่นคือ ผลึก quartz จะสั่นเป็นคาบอย่างสม่ำเสมอ สมบัติด้าน piezoelectricity นี้ ได้ชักนำให้นักเทคโนโลยีนำ quartz ไปสร้างนาฬิกาเป็นนาฬิกาควอทซ์ (quartz clock) ที่สามารถบอกเวลาผิดพลาดไม่เกิน 0.5 วินาที ภายในเวลา 1 วัน แต่เมื่อความถี่ในการสั่นของผลึกขึ้นกับความถี่ของกระแสไฟฟ้าที่ใช้ ดังนั้นเวลา 1 วินาทีที่วัดได้ขึ้นกับสภาพแวดล้อม ข้อจำกัดในประเด็นนี้จึงทำให้นาฬิกาควอทซ์ มิสามารถธำรงไว้ซึ่งความเป็นมาตรฐานได้
ในขณะที่เทคโนโลยีการสร้างนาฬิกาเพื่อวัดเวลาให้เดินเที่ยงตรงเป็นเวลานานๆ รุดหน้าอย่างตลอดเวลา นักวิทยาศาสตร์ได้พบเหตุการณ์ที่แสดงว่า คำจำกัดความของเวลา 1 วินาที ต้องมีการปรับเปลี่ยนด้วย เพราะจากเดิมที่เราเคยกำหนดว่า เวลา 1 วัน คือเวลาที่โลกหมุนรอบตัวเอง จนครบรบ และมี 86,400 วินาทีนั้น ในแต่ละปี โลกจะหมุนช้าลงๆ
ในปี 1895 Simon Newcomb (1835–1909) ได้พบว่า ในช่วงปี 1680-1800 โลกได้หมุนช้าลงปีละ 0.00225 วินาที และระหว่างปี 1800-1900 โลกก็หมุนช้าลงปีละ 0.003 วินาที การหมุนรอบตัวเองที่เปลี่ยนแปลงอย่างไม่สม่ำเสมอนี้ เกิดขึ้นเพราะโมเมนต์ความเฉื่อยของโลกมีการเปลี่ยนแปลง คือ ไม่คงตัว เนื่องจากได้เกิดการก่อและการละลายของมวลน้ำแข็งที่บริเวณขั้วโลก การไหลของกระแสน้ำในมหาสมุทรที่มีความเร็วและทิศที่ไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ก็มีแรงเสียดทานจากมวลอากาศและพายุที่พัดเหนือผิวโลก ดังนั้นเวลา 1 วัน ที่เคยกำหนดว่ามี 86,400 วินาที พอดิบพอดี จึงไม่ถูกต้องอีกต่อไป
ด้วยเหตุนี้สหพันธ์ Union of Pure and Applied Physics กับ International Committee for Weights and Measures จึงได้กำหนดคำจำกัดความของเวลา 1 วินาทีใหม่โดยให้ไม่ขึ้นกับเวลาที่โลกใช้ในการหมุนรอบตัวเองอีกต่อไป แต่เป็นเวลาที่คลื่นแสงจำนวน 9,192,031,370 ลูก ถูกปลดปล่อยออกมาอะตอมของธาตุ caesuim-133 เวลาอะตอมถูกกระตุ้นด้วยคลื่น microwave เพราะอิเล็กตรอนวงนอกสุดในอะตอม Cs-133 มีระดับพลังงานที่เสถียรมาก โดยไม่ขึ้นกับอุณหภูมิและความดันของสิ่งแวดล้อม ดังนั้นค่าความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานที่เกิดจากอันตรกิริยาระหว่าง spin ของอิเล็กตรอนในวงนอกสุดกับ spin ของนิวเคลียส จึงมีค่าคงตัว คลื่นแสงที่อะตอมเปล่งออกมา เวลาอิเล็กตรอนเปลี่ยนระดับพลังงาน จึงมีความถี่คงตัวด้วย และนั่นก็หมายความว่า เวลา 1 วินาที ที่เกิดการเปลี่ยนแปลงนี้ก็จะมีค่าคงตัวด้วย ไม่ว่าอะตอม Cs-133 นั้นจะอยู่ ณ ที่ใดในเอกภพ เวลา 1 วินาทีนี้ จึงมีความเป็นมาตรฐานยิ่งกว่านาฬิกาเพนดูลัมถึง 7 ล้านเท่า และแนวคิดนี้ได้ชักนำให้ Louis Essen (1908-1997) แห่ง National Physical Laboratory ที่ Teddington ในอังกฤษ ได้ประสบความสำเร็จในการสร้างนาฬิกาอะตอมเรือนแรกของโลกที่เดินผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที ใน 300 ปี
ตามปกติทั่วไป เราใช้เวลา 1 วินาทีในการระบุปริมาณต่าง ๆ เพื่อให้ทุกคนเข้าใจความสำคัญของข้อมูลนั้นๆ ตรงกัน
เช่น กำหนดความเร็วแสงในสุญญากาศให้มีค่า 299,792,458 เมตร/วินาที ซึ่งหมายความว่า ในเวลา 1 วินาที แสงจะเดินทางในสุญญากาศได้ระยะทาง 299,792,458 เมตร รู้ว่าระบบสุริยะอันมีดวงอาทิตย์เป็นศูนย์กลางจะโคจรไปรอบจุดศูนย์กลางของกาแล็กซีทางช้างเผือกด้วยความเร็ว 230 กิโลเมตร/วินาที วัดความเร็วของโลกในการโคจรรอบดวงอาทิตย์ได้ว่ามีค่าเท่ากับ 29.78 กิโลเมตร/วินาที และรู้ว่ายาน Voyage I และ II ณ เวลานี้มีความเร็ว 17.0 กิโลเมตร/วินาที และ 13.4 กิโลเมตร/วินาที ตามลำดับ และโลกมีทารกเกิดใหม่ 4.4 คน ในทุกวินาที และทุกวินาทีจะมีคนเสียชีวิต 1.8 คน
สำหรับข้อมูลที่เป็นสิ่งแวดล้อม ก็มีว่าโลกปลดปล่อยแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา 1,820 ตัน/วินาที และที่ห้องปฏิบัติการ Lawrence Livermore National Laboratory ในสหรัฐอเมริกาฯ มีคอมพิวเตอร์ชื่อ El Capitan ที่มีประสิทธิภาพสูงมาก คือ สามารถคำนวณได้ 1.742x1018 ครั้ง/วินาที และปริมาณข้อมูลที่ถูกเก็บอยู่ในเครื่องคอมพิวเตอร์ของ CERN คือ 1,024 petabyte/sec (โดยที่ 1 petabyte มีค่าเท่ากับ 1015 byte) และสุดท้าย คือ คนบนโลกมีการส่ง e-mail ติดต่อถึงกัน 4,356,000 ครั้ง/วินาที เป็นต้น
เราจึงเห็นได้ว่า เวลา 1 วินาทีมีบทบาทมากในการควบคุมและกำกับกิจกรรมดำรงชีวิตของผู้คนแทบทุกคนบนโลก ดังนั้นเวลา 1 วินาทีจึงเป็นช่วงเวลาที่ควรจะนานเท่ากัน (เพื่อความเสมอภาค) สำหรับทุกคน
แต่ความจริงมีอยู่ว่า เวลา 1 วินาทีสำหรับคนแต่ละคนที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกัน หรือแม้แต่จะอยู่ ณ สถานที่แตกต่างกัน ก็นานไม่เท่ากัน
ทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษของ Albert Einstein (1879-1955) ได้ทำนายและอธิบายไว้ว่า คนที่เดินเร็ว จะชราช้า เพราะนาฬิกาที่คนนั้นถือติดตัว จะเดินช้า ในทำนองเดียวกับคนบนยานอวกาศที่กำลังเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสม่ำเสมอ นาฬิกาในยานจะเดินช้ากว่านาฬิกาของคนบนโลก นาฬิกาที่อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรจะเดินช้ากว่านาฬิกาที่ขั้วโลก และนั่นคือเหตุผลที่ทำให้นาฬิกาที่ Paris เดินเร็วกว่านาฬิกาที่ London ประมาณวันละ 10^(-9) วินาที ทั้งนี้เพราะ Paris อยู่ใกล้เส้นศูนย์สูตรยิ่งกว่า London
ในกรณีแรงดึงดูดแบบโน้มถ่วงระหว่างมวลนั้นก็เช่นกัน ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปได้อธิบายว่า แรงนี้เกิดจากสาเหตุที่บริเวณระหว่างมวล (คือ ปริภูมิ-เวลาที่มี 4 มิติ) ถูกบิดโค้ง ความบิดเบี้ยวของปริภูมิ-เวลา ได้ทำให้เกิดแรงดึงดูดระหว่างมวล
ผลที่เกิดตามมา คือ บนยอดเขาสูง ซึ่งเป็นสถานที่ที่มีความเร่ง เนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีค่าน้อย นาฬิกาจะเดินเร็วกว่านาฬิกาที่ตีนเขา กระนั้นความแตกต่างของเวลาเหล่านี้ก็มิได้มีค่ามาก คือ มากในระดับนาโนวินาทีเท่านั้นเอง ดังนั้นเวลาเราเดินทางไปตามสถานที่ต่าง ๆ ที่มีความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงแตกต่างกัน เราจึงไม่จำเป็นต้องปรับเวลาในนาฬิกาข้อมือ เพราะความแตกต่างมีค่าน้อยมากนั่นเอง
แต่ในกรณีการสื่อสารด้วยระบบ GPS (Global Positioning System) ที่มีดาวเทียมหลายดวง ซึ่งถูกส่งขึ้นไปอวกาศ ให้โคจรอยู่เหนือโลกที่ระยะสูงประมาณ 20,000 กิโลเมตร และโคจรด้วยความเร็ว 13,500 กิโลเมตร/ชั่วโมง ด้วยความเร็วนี้ เวลาบนดาวเทียมจะเดินช้ากว่าเวลาของนาฬิกาบนโลกวันละ 7x10(-6) วินาที แต่ในเวลาเดียวกันที่ระยะสูง ซึ่งแรงดึงดูดระหว่างโลกกับดาวเทียมน้อย นาฬิกาบนดาวเทียมจะเดินเร็วกว่านาฬิกาบนโลก 38x10(-6) วินาที/วัน ผลลัพธ์ คือ นาฬิกาจะเดินเร็ววันละ 31x10^(-6) วินาที การปรับแก้เรื่องเวลาจึงเป็นประเด็นจำเป็นที่จะช่วยทำให้เรารู้ตำแหน่ง (เส้นรุ้ง เส้นแวง และระยะสูงของสถานที่ทั่วโลกได้อย่างถูกต้อง)
ความจริงอีกประการหนึ่งที่ควรรู้มีว่า ในบรรดาการวัดค่าต่าง ๆ ในฟิสิกส์ ไม่ว่าจะเป็นระยะทาง พลังงาน ความเร็ว โมเมนตัม ฯลฯ เทคโนโลยีการวัดเวลาเป็นเทคโนโลยีที่นักฟิสิกส์สามารถใช้วัดได้ละเอียดที่สุด และแม่นยำที่สุด และเมื่อเวลามีค่าเป็นปฏิภาคผกผันกับความถี่ ดังนั้นการวัดความถี่ก็สามารถทำให้เราวัดเวลาได้
ในปี 1955 นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษชื่อ Louis Essen ที่ National Physical Laboratory กับ Jack Parry ได้สร้างนาฬิกาอะตอมขึ้นเป็นครั้งแรก โดยใช้อะตอม cesium-133 เป็นหลัก เพราะในอะตอมนี้มีนิวเคลียส ที่มี spin ดังนั้นนิวเคลียสจึงมีโมเมนต์แม่เหล็กที่จะมีอันตรกิริยากับ spin ของอิเล็กตรอนที่โคจรอยู่รอบนิวเคลียส อันตรกิริยานี้มีชื่อเรียกว่า hyperfine interaction (แตกต่างจากอันตรกิริยาไฟฟ้า) ซึ่งทำให้ระดับพลังงานของอิเล็กตรอนถูกแบ่งแยกเป็นสองระดับ เพราะขึ้นกับว่า spin ของอิเล็กตรอนกับนิวเคลียสสวนทิศกัน หรือมี spin ที่ชี้ในทิศเดียวกัน
ความแตกต่างพลังงาน 8710;E ของอิเล็กตรอนในสองสถานะ มีความสัมพันธ์กับความถี่ 957; ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มันจะส่งออกมาหรือดูดกลืนไป ตามสมการ 8710;E = h957; เมื่อ h เป็นค่าคงตัวของ Planck
ดังนั้นถ้า 8710;E มีค่าคงตัว 957; ก็จะมีค่าคงตัวด้วย
ในปี 1967 องค์การ International System of Units (SI) จึงได้กำหนดคำจำกัดความของเวลา 1 วินาทีว่า มีค่าเท่ากับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เปล่งออกมาจากอะตอม Cs-133 คือ 9,192,61,770 Hz
นิวเคลียสของอะตอม Cs-133 นั้น ประกอบด้วยโปรตอน 55 อนุภาค และนิวตรอน 78 อนุภาค (55+78=133) และมี nuclear spin = 7/2 อันตรกิริยา hyperfine จะทำให้สถานะพื้นฐานของอิเล็กตรอนในอะตอมนี้ถูกแบ่งออกเป็นสองระดับ ค่า 8710;E ที่เกิดขึ้นนี้ มีเสถียรภาพมาก เพราะไม่ขึ้นกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและความดันอากาศ หรือความชื้นใด ๆ ดังนั้นคลื่นแสงจึงมีความถี่ 9.192631770 GHz (1 gigahertz = 10^9 Hz) ที่สม่ำเสมอ ความถี่นี้จึงเป็นความถี่ของคลื่นที่โลกวิทยาศาสตร์ได้ใช้ในการกำหนดเวลา 1 วินาที
นาฬิกา Cs-133 สามารถเดินได้เที่ยงตรงมาก คือ ผิดพลาดไม่เกิน 1 วินาที จากการเดิน 1.40 ล้านปี
สำหรับอุปกรณ์นาฬิกาอะตอม Cs-133 นั้น มีองค์ประกอบหลัก คือ ลำอะตอม (atomic beam) ที่ได้จากการเผาธาตุ Cs ให้ร้อน จนกลายเป็นไอ แล้วอะตอม Cs จำนวนมากจะถูกพ่นออกจากเตา ทำให้เกิดลำอะตอม Cesium จากนั้นถ้ามีการส่งสนามแม่เหล็กมากระทำที่ลำอะตอม กลุ่มอะตอมจะถูกแยกออกเป็น 2 สถานะ
ขั้นต่อไป คือ การปล่อยให้กลุ่มอะตอมที่มีพลังงานสูงพุ่งต่อไป เข้าสู่โพรง microwave (microwave cavity) ที่มีการปล่อยคลื่น microwave ออกมา ที่ความถี่โดยประมาณเท่ากับ 9.192 GHz (gigahertz โดย 1 GHz เท่ากับ 10^9 Hz) ซึ่งเป็นความถี่ใกล้ความถี่ธรรมชาติของอะตอม ครั้นเมื่อมีการปรับความถี่ของคลื่น microwave ไป จนถึงความถี่ธรรมชาติ 957; = 8710;E/h ปรากฏการณ์กำทอน (resonance) จะเกิดขึ้น โดยอะตอมที่สั่นด้วยความถี่นี้ จะถูกดูดกลืนไปอยู่ในสถานะที่มีพลังงานสูงกว่า
นั่นคือ ถ้ามีการนำสนามแม่เหล็กเข้ามากรองเอาอะตอมที่ไม่เปลี่ยนสถานะออกไป ลำอะตอมที่ผ่านแท่งแม่เหล็กแท่งที่สอง เวลาผ่านถึงเครื่องตรวจจับ (detector) จะพบว่ามีค่ามากที่สุด จากนั้นให้ลำอะตอมผ่านเข้าวงจรย้อนกลับเป็น feedback loop ซึ่งจะล็อคความถี่กำทอน ที่ทำให้เรารู้ความถี่กำทอนแน่ชัดของนาฬิกา
นอกจากอะตอม Cs-133 แล้ว นักวิทยาศาสตร์ก็ยังได้พบว่า อะตอม rubidium-87 (Rb-87) strontium-38 (Sr-38) ytterbium-171 (Yb-171) ปรอท-199 (Hg-199) ก็สามารถนำมาทำเป็นนาฬิกาอะตอมได้ด้วย แต่ต้องใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจาก laser ในการกระตุ้นอะตอม นาฬิกาที่ใช้แสง laser นี้จึงมีชื่อเรียกว่า optical clock
ตลอดเวลา 70 ปีที่ผ่านมานี้ นาฬิกาอะตอมได้ถูกนำไปใช้ในการค้นหาสสารมืด ตรวจสอบค่าคงตัวต่าง ๆ ในธรรมชาติ เช่น ค่า fine structure constant ว่า เปลี่ยนแปลงหรือไม่ เพราะ ความเร็วแสง ซึ่งตามทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษต้องมีค่าคงตัว เพราะถ้าความเร็วแสงเปลี่ยน สูตรต่าง ๆ ของฟิสิกส์ก็จะต้องเปลี่ยนตาม เป็น E=mc^3 เป็นต้น แต่ก็ปรากฏว่า ยังไม่พบการเปลี่ยนแปลงของค่าคงตัวใดๆ เลย
เพราะนาฬิกาอะตอมแต่ละเครื่องที่มีใช้ในแต่ละสถานที่บนโลก เช่น London, Paris, Braunschweig ฯลฯ มีความผิดพลาดในการเดินไม่เท่ากัน ดังนั้นเวลานำนาฬิกาอะตอมไปใช้จริงๆ จึงต้องมีการเฉลี่ยความผิดพลาดที่เกิดขึ้นด้วย
ถึงวันนี้ ทีมวิจัยจากนานาประเทศ เช่น จาก University of Colorado และ Vienna University of Technology ในออสเตรีย กำลังร่วมมือกันสร้างนาฬิกานิวเคลียส (nuclear clock) ไม่ใช่นาฬิกานิวเคลียร์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานนิวเคลียร์ เพราะนาฬิกานิวเคลียสจะมีความเที่ยงตรงในการเดินสูงยิ่งกว่านาฬิกาอะตอมขึ้นไปอีก และนั่นก็หมายความว่า ความผิดพลาดในการบอกเวลาก็จะยิ่งน้อยลงไปมาก
โดยในปี 1976 ได้มีการสังเกตเห็นว่า ธาตุกัมมันตรังสี actinium-229 (Ac-229) เวลาสลายตัวเป็น thorium-229 (Th-229) ซึ่งเป็นธาตุที่มีพบในเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ นิวเคลียสใหม่ที่เกิดขึ้น ซึ่งประกอบด้วยอนุภาค nucleon (โปรตอนและนิวตรอน) จะมีระดับพลังงานที่แตกต่างกัน = 8.355743 177; 0.000003 electron volts ดังนั้นถ้ามีการฉายรังสี UV ที่มีพลังงานเหมาะสมเท่ากับพลังงานที่แตกต่างกันนี้ nucleon ก็จะถูกกระตุ้นในทันที และจะมีการปล่อยรังสีแกมมาออกมา ในทำนองเดียวกับนาฬิกาอะตอม
ในงานวิจัยที่ลงพิมพ์ในวารสาร Physical Review Letters ภายใต้ชื่อว่า Temperature Sensitivity of a Thorium-229 Solid State Nuclear Clock PRL (2025) DOI: 10-1103 PhysRevLett. 154.1.113801 ทีมวิจัยภายใต้การนำของ Jacob S. Higgins et.al. ได้พบว่าอะตอม thorium-229 ที่ถูกฝังอยู่ในผลึก CaF2 (calcium fluoride) เวลาได้รับการกระตุ้นด้วยรังสีแกมมาหรือรังสีเอกซ์ จะสามารถปล่อยคลื่นที่มีความถี่ละเอียดถึงระดับ 10^(-18) ส่วนได้
ครั้นเมื่อนักทดลองเปลี่ยนอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม คือ ทำให้ผลึกของ CaF2 มีอุณหภูมิ 150K, 229K และ 293K ความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็ยังไม่เปลี่ยนแปลง นั่นคือ เวลาในนาฬิกา 1 วินาทีของนาฬิกานิวเคลียสไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ และสภาพแวดล้อม ทั้ง ๆ ที่อุณหภูมิได้ทำให้ผลึกขยายตัว-หดตัว ซึ่งทำให้ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนในผลึกและอันตรกิริยาที่กระทำต่อนิวเคลียสเปลี่ยนแปลง แต่ประสิทธิภาพในการทำงานของนาฬิกานิวเคลียสก็ยังคงเดิม
อย่าเพิ่งไปซื้อนาฬิกานิวเคลียสนะครับ เพราะขณะนี้ยังไม่มีขายในตลาด อีกประมาณ 5 ปี จึงจะได้ใช้ ตอนนี้จึงต้องยืมนาฬิกาเพื่อนใช้ไปก่อน
อ่านเพิ่มเติมจาก Conover, Emily (5 September 2024). "A nuclear clock prototype hints at ultraprecise timekeeping". Science News. Also appears in the 5 October print edition (p. 7) titled "Nuclear clock prototype makes debut".
ศ.ดร.สุทัศน์ ยกส้าน : ประวัติการทำงาน - ราชบัณฑิตสำนักวิทยาศาสตร์ สาขาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ และ ศาสตราจารย์
ระดับ 11 ภาควิชาฟิสิกส์ มหาวิทยาลัยศรีนครินทรวิโรฒ,นักวิทยาศาสตร์ดีเด่นและนักวิจัยดีเด่นแห่งชาติ สาขากายภาพและคณิตศาสตร์ประวัติการศึกษา-ปริญญาตรีและโทจากมหาวิทยาลัยลอนดอน,ปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย
อ่านบทความ "โลกวิทยาการ" ได้ทุกวันศุกร์
website : mgronline.com
facebook : MGRonlineLive
twitter : @MGROnlineLive
instagram : mgronline
line : MGROnline
youtube : MGR Online VDO