เปลี่ยนนาฬิกา "อะตอม" เป็น "นิวเคลียร์" โลกเตรียมก้าวกระโดดสู่การวัดเวลาแม่นยำระดับสุดยอด

เวลาคือสิ่งสำคัญและจำเป็นอย่างยิ่งต่อการดำเนินชีวิตประจำวันของคนเรา ทำให้เรามีข้าวของเครื่องใช้ที่เกี่ยวข้องกับการวัดและบอกเวลามากมาย ไม่ว่าจะเป็นนาฬิกาข้อมือไปจนถึงระบบจีพีเอสในโทรศัพท์สมาร์ตโฟน ส่วนระบบควบคุมต่าง ๆ ที่สำคัญของโลก ตั้งแต่ระบบสื่อสารโทรคมนาคม, ระบบจ่ายพลังงานไฟฟ้า, หรือการทำธุรกรรมทางการเงิน ล้วนต้องอาศัยการควบคุมเวลาที่เที่ยงตรงแม่นยำทั้งสิ้น โดยยึดถือเอาการวัดและบอกเวลาในหน่วยวินาทีเป็นหลัก

แต่ไม่น่าเชื่อว่าทุกวันนี้เรายังถกเถียงกันไม่จบ เกี่ยวกับนิยามของหน่วยวัดเวลา "วินาที" ว่ามันหมายถึงอะไรกันแน่ โชคดีที่ความก้าวหน้าล่าสุดทางวิทยาการ กำลังเข้าใกล้ความสำเร็จในการประดิษฐ์คิดค้นสุดยอดอุปกรณ์วัดและบอกเวลาชนิดใหม่แล้ว ซึ่งนาฬิกาไฮเทครุ่นล่าสุดนี้จะช่วยตอบคำถามข้างต้นได้ ด้วยความเที่ยงตรงแม่นยำอย่างเหลือเชื่อของมัน

การวัดและบอกเวลาอย่างเที่ยงตรง ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญส่วนหนึ่งในวิวัฒนาการทางสังคมของมนุษยชาติ โดยจะเห็นได้จากร่องรอยของอารยธรรมยุคหินใหม่ ที่สุสานนิวเกรนจ์ (Newgrange monument) ของประเทศไอร์แลนด์ ซึ่งบนหลังคาของสุสานจะมีช่องเปิดพิเศษที่แสงอาทิตย์ในวันเหมายัน (winter solstice) หรือราววันที่ 21 ธ.ค. ของทุกปี สามารถจะลอดผ่านเข้ามาให้ความสว่างแก่ทางเดินและห้องโถงของสุสานได้ โดยวันเหมายันนี้มีช่วงเวลากลางวันสั้นที่สุดของปี แต่มีช่วงเวลากลางคืนยาวนานที่สุดของปี

นักปราชญ์ชาวกรีกโบราณคนสำคัญอย่างอริสโตเติลเคยกล่าวเอาไว้ว่า การวัดเวลาบนโลกนั้นควรอ้างอิงกับ "การหมุนของอาณาเขตรอบนอกสุดแห่งสรวงสวรรค์" เนื่องจากเขาเชื่อว่าห้วงจักรวาลนั้นเป็นทรงกลมที่มีโลกเป็นศูนย์กลาง

เมื่อราว 2,000 ปี ก่อนคริสตกาล มีการประดิษฐ์ "นาฬิกาน้ำ" ซึ่งเป็นอุปกรณ์วัดและบอกเวลาที่เก่าแก่ที่สุดชิ้นหนึ่ง คนโบราณสามารถใช้มันจับเวลาได้ โดยควบคุมการไหลเข้าออกของน้ำจากภาชนะ ส่วนนาฬิกาที่เป็นเครื่องกลไกนั้น มีการประดิษฐ์ขึ้นครั้งแรกในช่วงปลายศตวรรษที่ 13

ก่อนปี 1967 นิยามของคำว่า "วินาที" นั้นเรียบง่าย โดยหมายถึงช่วงเวลา 1 ส่วน จากทั้งหมด 86,400 ส่วนของวัน ซึ่งมีที่มาจากการกำหนดให้หนึ่งวันมี 24 ชั่วโมง, หนึ่งชั่วโมงมี 60 นาที, และหนึ่งนาทีมี 60 วินาที ทำให้หนึ่งวันมี 86,400 วินาทีนั่นเอง

ต่อมาในปี 1967 ระบบหน่วยวัดระหว่างประเทศ (SI) ได้เปลี่ยนนิยามของวินาทีเสียใหม่ดังนี้ "หนึ่งวินาทีนั้นหมายถึง...เมื่อความถี่ของการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของอะตอมซีเซียม-133 มีค่าเท่ากับ 9192631770 ในหน่วยเฮิร์ตซ์ (Hz)"

นิยามที่ชวนงุนงงข้างต้นสามารถจะอธิบายให้คนทั่วไปเข้าใจได้ง่าย ๆ โดยมาทำความรู้จักกับคำศัพท์ "ความถี่ของการเปลี่ยนสถานะทางพลังงาน" (transition frequency) กันเสียก่อน การเปลี่ยนสถานะที่ว่านี้คือความเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นกับอนุภาคอิเล็กตรอนในอะตอม ซึ่งเมื่ออิเล็กตรอนได้รับพลังงานเพิ่มเข้าไปแล้ว จะถูกกระตุ้นให้เคลื่อนตัวไปสู่ระดับพลังงานที่สูงกว่าเดิม ก่อนจะกลับคืนสู่สถานะพื้นที่สงบลงเมื่อเวลาผ่านไประยะหนึ่ง

เรื่องนี้เปรียบได้กับการที่เราดื่มกาแฟจนรู้สึกกระปรี้กระเปร่ามีเรี่ยวแรงเพิ่มขึ้น ซึ่งความรู้สึกตื่นตัวจากการกระตุ้นของคาเฟอีนนี้จะคงอยู่เพียงชั่วระยะหนึ่ง ก่อนที่คุณจะกลับไปหมดแรงหรือง่วงเหงาหาวนอนเหมือนเดิม ดังนั้นความถี่ของการเปลี่ยนสถานะทางพลังงาน ก็คือจำนวนครั้งของการเปลี่ยนระดับพลังงานในอิเล็กตรอน ที่คาดว่าจะเกิดขึ้นในช่วงเวลาหนึ่ง

เมื่อเข็มวินาทีของนาฬิกากระดิกไป 1 ครั้ง นั่นหมายความว่าอิเล็กตรอนในอะตอมของซีเซียม-133 ได้เกิดการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานขึ้นแล้ว 9192631770 ครั้ง นิยามนี้กลายเป็นมาตรฐานล่าสุดที่ทั่วโลกยึดถือกัน เพื่อจับเวลา 1 วินาทีให้ได้อย่างเที่ยงตรงแม่นยำมากที่สุด

อย่างไรก็ตาม ที่ผ่านมามีการพัฒนาทางเทคโนโลยี เพื่อเปลี่ยนไปใช้ความถี่ของการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานที่สูงขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้นาฬิการุ่นใหม่มีความแม่นยำเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ยิ่งความถี่อ้างอิงที่ว่านี้สูงขึ้นเท่าไหร่ ก็จะยิ่งมีความผิดพลาดในการวัดเวลาน้อยลงเท่านั้น ตัวอย่างเช่นความเสียหายจากการบอกเวลาผิดพลาดไป 1 วินาที ของนาฬิกาที่ใช้ความถี่อ้างอิง 50 ครั้งต่อวินาที จะร้ายแรงกว่าความผิดพลาดของนาฬิกาที่ใช้ความถี่อ้างอิง 5000 ครั้งต่อวินาที ได้ถึง 100 เท่า

แต่ทว่ายังมีข้อจำกัดอยู่สองประการ ในความพยายามที่จะปรับลดความเสี่ยงเรื่องวัดเวลาผิดพลาดดังกล่าว ข้อแรกก็คือความท้าทายทางเทคโนโลยี เนื่องจากการวัดความถี่ในการเปลี่ยนสถานะระดับสูงนั้นทำได้ยาก ส่วนการค้นหาแร่ธาตุแบบซีเซียม-133 ซึ่งอนุภาคมีความถี่ในการเปลี่ยนสถานะสูง แต่ยังอยู่ในขอบเขตที่สามารถจะตรวจวัดได้ ก็เป็นเรื่องที่ยากลำบากเช่นกัน

เพื่อที่จะตรวจวัดความถี่ในการเปลี่ยนสถานะของแร่ธาตุชนิดใหม่ ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังไม่เคยทราบถึงค่าความถี่ของมันมาก่อน พวกเขาใช้หลักอ้างอิงจากคลื่นสัญญาณของธาตุที่ทราบค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะอยู่แล้ว มาผสมเข้ากับคลื่นสัญญาณของธาตุอีกชนิดหนึ่งที่ต้องการจะตรวจวัด ทำให้เกิดคลื่นสัญญาณใหม่ที่มีความถี่ต่ำลงและตรวจวัดได้ง่ายขึ้น ซึ่งเรียกว่าความถี่บีต (beat frequency)

นาฬิกาที่มีความแม่นยำสูงอย่างนาฬิกาอะตอม (atomic clock) ใช้เทคนิคนี้วัดค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะของธาตุต่าง ๆ จนสามารถจับเวลาในหน่วยวินาทีได้อย่างไม่ผิดพลาด แต่หากเราต้องการจะพัฒนานาฬิกาอะตอมให้มีความแม่นยำในระดับสูงยิ่งขึ้นไปอีก จะต้องค้นหาคลื่นสัญญาณของธาตุอ้างอิงที่มีความน่าเชื่อถือสูงกว่าเก่า ซึ่งสามารถทำได้ด้วยการใช้อุปกรณ์ "หวีสางความถี่" (frequency comb)

หวีสางความถี่ใช้การยิงลำแสงเลเซอร์ออกไปเป็นช่วง ๆ โดยไม่ต่อเนื่องกัน โดยเลเซอร์แต่ละลำเป็นคลื่นแสงในความถี่ที่แตกต่างกัน แต่มีการเว้นระยะห่างระหว่างลำแสงเป็นช่องเท่า ๆ กันด้วย ไม่ต่างจากซี่ของหวีที่ใช้สางผม นาฬิกาอะตอมใช้อุปกรณ์นี้ถ่ายโอนพลังงานให้ปรมาณูของแร่ธาตุจำนวนหลายล้านอะตอมในคราวเดียวกัน โดยหวังว่าลำแสงใดลำแสงหนึ่งจะเกิดความถี่บีตขึ้น ซึ่งนั่นหมายถึงการค้นพบค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะของธาตุนั้น ที่อาจจะนำไปใช้เป็นค่าอ้างอิงของหน่วยวินาทีที่มีความละเอียดสูงขึ้นได้

จากนาฬิกาอะตอมสู่นาฬิกานิวเคลียร์

ตามที่ได้กล่าวมาแล้วว่า หน่วยวินาทีนั้นถูกนิยามด้วยค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของอิเล็กตรอนในอะตอมซีเซียม-133 ค่าความถี่ดังกล่าวที่อยู่ในระดับต่ำ แม้จะตรวจวัดได้ง่าย แต่มีความแม่นยำในการใช้อ้างอิงเพื่อจับเวลาเป็นวินาทีน้อย ชนิดที่ไม่อาจเทียบได้กับค่าความถี่อ้างอิงที่อยู่ในระดับสูง

ค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของอะตอมซีเซียม เกิดขึ้นในช่วงคลื่นใกล้เคียงกับความถี่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างไมโครเวฟ แต่คลื่นไมโครเวฟนั้นมีความถี่ต่ำกว่าคลื่นแสงที่ดวงตามนุษย์สามารถมองเห็น ทว่าในเดือนก.ย. ปี 2021 นักวิทยาศาสตร์ประสบความสำเร็จในการวัดค่าความถี่ของการเปลี่ยนสถานะในอะตอมสตรอนเชียม (Sr) โดยพบว่าค่าความถี่นี้สูงกว่าซีเซียม ทั้งอยู่ในช่วงของคลื่นแสงที่คนเรามองเห็นได้ด้วย การค้นพบนี้เปิดประตูสู่โอกาสในการนิยามหน่วยวินาทีเสียใหม่ให้แม่นยำขึ้น ซึ่งอาจจะทำได้ภายในปี 2030

ล่าสุดในเดือนก.ย.ปี 2024 ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสหรัฐฯ สร้างความก้าวหน้าทางวิทยาการที่จะนำไปสู่การพัฒนานาฬิกาชนิดใหม่ที่เรียกว่า "นาฬิกานิวเคลียร์" (nuclear clock) ซึ่งมีความล้ำสมัยเหนือนาฬิกาอะตอมไปอีกขั้น เพราะการวัดค่าความถี่ของการเปลี่ยนสถานะในอะตอมนั้น เกิดขึ้นภายในนิวเคลียสหรือศูนย์กลางของอะตอม แทนที่จะเป็นอิเล็กตรอนซึ่งวิ่งวนอยู่รอบนอก

การวัดความเปลี่ยนแปลงทางพลังงานภายในนิวเคลียส จะให้ค่าความถี่ของการเปลี่ยนสถานะที่สูงกว่ากันมาก โดยทีมวิจัยดังกล่าวใช้นิวเคลียสของอะตอมทอเรียม-229 (Th-229) ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยแสงอัลตราไวโอเลต (UV) ทั้งยังสามารถเอาชนะความท้าทายทางเทคโนโลยีที่เป็นปัญหาอยู่แต่เดิม ด้วยการสร้างหวีสางความถี่ที่ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพ ในช่วงคลื่นความถี่สูงอย่างแสงอัลตราไวโอเลตได้

เทคนิคนี้ถือเป็นความก้าวหน้าอย่างใหญ่หลวง เพราะตามปกติแล้ว การเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของนิวเคลียสที่มองเห็นได้ มักจะเกิดขึ้นกับคลื่นความถี่ในระดับที่สูงกว่านี้มากอย่างเช่นรังสีแกมมา แต่ปัจจุบันเรายังไม่สามารถวัดค่าความถี่ในการเปลี่ยนสถานะทางพลังงานของรังสีแกมมาได้อย่างแม่นยำพอ

การเปลี่ยนสถานะของอะตอมทอเรียม มีค่าความถี่สูงกว่าอะตอมซีเซียมถึง 1 ล้านเท่า นั่นหมายความว่านาฬิกานิวเคลียร์มีโอกาสจะวัดหน่วยวินาทีได้ละเอียดกว่ากันอย่างมหาศาล โดยสามารถจะบอกเวลาในหน่วยดังกล่าวเป็นตัวเลขหลังจุดทศนิยมได้ถึง 19 หลัก แม้ปัจจุบันจะยังมีความแม่นยำเที่ยงตรงสู้นาฬิกาสตรอนเชียมไม่ได้ก็ตาม

ส่วนคุณประโยชน์ของนาฬิกานิวเคลียร์นั้น นอกจากจะใช้ตัดสินผลการแข่งขันกีฬาประลองความเร็ว ที่เฉือนเอาชนะกันแบบเส้นยาแดงผ่าแปดเพียงเสี้ยววินาทีแล้ว ยังอาจนำไปใช้พิสูจน์ความถูกต้องของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งมักเกิดขึ้นในกระบวนการความเร็วสูงต่าง ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการศึกษาวิจัยด้านกลศาสตร์ควอนตัม นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้ปรับปรุงระบบจีพีเอสให้รวดเร็วแม่นยำกว่าเดิม ซึ่งจะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อชีวิตประจำวันของคนทั่วไป